Electrostatică

Electrostatica este disciplina din cadrul electrotehnicii care studiază stările invariabile în timp, neînsoţite de transformări energetice.

1.1. Sarcina şi câmpul electric

Menţiuni asupra electricităţii au fost consemnate încă de acum 2500 ani, când bucăţi de chihlimbar încărcate static au fost capabile să atragă diverse obiecte. Originea cuvântului electricitate datează mult mai târziu, (la circa 600 d. C.) şi derivă din electron, care în greaca veche însemna, chihlimbar. Natura electricităţii a fost înţeleasă şi explicată mult mai târziu, când şi prin operele lui Coulomb şi Volta au fost puse bazele structurii atomice a materiei, care constă în nuclee – neutroni şi protoni – înconjuraţi de electroni care gravitează pe orbite. Electronul este încărcat cu sarcina elementară negativă, egală cu: , (Coulomb). Cu aceeaşi sarcină elementară, dar pozitivă, se consideră că este încărcat protonul: .

Prin frecare, anumite corpuri sunt aduse într-o stare de electrizare, stare manifestată prin forţele electrice apărute între aceste corpuri, prin intermediul câmpului electric. Câmpul electric şi câmpul magnetic sunt aspecte particulare ale câmpului electromagnetic, câmp ce este o formă de manifestare a materiei, diferită de substanţa corpurilor, care posedă energie, există în interiorul corpurilor şi în afara lor şi constituie suportul fizic al interacţiunilor electromagnetice.

Starea de electrizare mai poate fi obţinută şi prin alte procedee:

- atingere de corpurile electrizate, (prin influenţă);

- încălzire sau iradiere, când energia primită de corpuri, determină electronii de valenţă, aflaţi pe orbitele extreme, să le părăsească;

- tensionare mecanică, prin efect piezoelectric, etc.

După modul în care transmit starea de electrizare la atingerea directă, materialele se împart în:

- materiale conductoare (conductori electrici) – starea de electrizare este transmisă în întreaga masă a conductorului;

- materiale izolatoare (dielectrici) – starea de electrizare este transmisă local şi nu în toată masa izolatorului.

Din categoria conductoarelor fac parte metalele împreună cu aliajele lor, anumite soluţii acide sau bazice, apa cu diverse impurităţi minerale şi nu numai, iar dielectricii pot fi întâlniţi sub toate stările de agregare ale materiei: ceramica, mica, hârtia, uleiurile şi lacurile electroizolante, aerul, sulfura de carbon, etc.

Forţa care acţionează asupra un corp de probă, punctiform, încărcat cu sarcina electrică q şi care explorează câmpul electric de intensitate este:

(1.1)

este intensitatea câmpului electric în vid şi reprezintă o mărime vectorială, funcţie de punct, care caracterizează local câmpul electric, iar q – sarcina electrică a corpului de probă, reprezintă o mărime scalară, care caracterizează local starea de electrizare a corpului dat, cu unităţile de măsură în SI:

[Ev]SI: 1 V / 1 m, respectiv [q]SI: 1 C = 1A x 1s, sau Ah, (1 Ah = 3600 As =3600 C).

Liniile de câmp (figura 1.1.) constituie reprezentarea intuitivă a formei câmpului electric. Acestea încep pe corpurile încărcate cu sarcină pozitivă şi se termină pe cele negative. Intrarea, respectiv ieşirea liniilor prin suprafaţele corpurilor încărcate se va realiza perpendicular pe suprafaţă, în zona de contact.

Figura 1.1. Liniile de câmp între două corpuri punctiforme încărcate cu sarcini diferite.

Între două corpuri punctiforme M1 şi M2, electrizate, aflate la distanţa între ele, (figura 1.2.), încărcate cu sarcinile electrice q1 şi q2, se exercită forţa coulombiană:

, (1.2)

unde ε este constanta dielectrică sau permitivitatea mediului, considerat omogen, în care se află cele două corpuri.

În tehnică se lucrează cu permitivitatea relativă, ca fiind:

, (1.3)

în care, este permitivitatea vidului.

Din relaţiile (1.1) şi (1.2) rezultă expresia intensităţii câmpului electric produs de un corp punctiform, încărcat cu sarcina q, aflat într-un mediu omogen, de permitivitate ε:

. (1.4)

Pentru câmpuri complexe, produse de mai multe corpuri punctiforme electrizate, intensitatea câmpului electric rezultat va fi egală cu suma vectorilor intensităţilor pe care l-ar produce fiecare corp în parte:

. (1.5)

Câmpul electric produs de o distribuţie de sarcini electrice se numeşte câmp electric coulombian. Pentru sarcini nemişcate şi invariabile în timp, câmpul este electrostatic.