Electrotehnică

Obiective educaționale

În urma parcurgerii acestui modul veți avea posibilitatea de a cunoaște:

- unele cunoștințe teoretice în domeniul ingineriei electrice,

- sau cunoașterea de soluții adecvate pentru rezolvarea unor probleme existente în electrotehnica .

Cuvinte cheie:

Campul electromagnetic în regim electrostatic

Cuprinsul Modului:

1.1. Sarcina electrică

1.2. Noțiunea de câmp electric. Intensitatea câmpului electrică.

1.3. Linii de câmp electric.Legea lui Coulomb.Potențialul câmpului electric.

1.4. Electrizarea prin influență. Densitatea de sarcină electrică.

1. 5.Fluxul intensității câmpului electric printr-o suprafață închisă.Teorema lui Gauss.

1.6. Câmpul electric în vecinătatea unui conductor.

Electrostatica

1.1. Sarcina electrică

Sarcina electrică este o mărime scalară care caracterizează starea de electrizare a corpurilor. După cum se știe, există feluri diferite de sarcini electrice și ele au primit denumirile convenționale de sarcini pozitive, respectiv sarcini negative. Experiența arată că, orice sarcină electrică Q este un multiplu întreg al unei sarcini elementare e = 1.602- 10-19 , unitatea de masură fiind Coulomb. Conform cunoștințelor noastre actuale, moleculele și atomii din care se compune materia, sunt alcătuiți la rândul lor din particule materiale și anume, din nucleu și electroni. Aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleu. Nucleul, la rândul lui, este o particulă compusă din protoni și neutroni. Aceste două particule au masele foarte apropiate dar se deosebesc esențial prin faptul că neutronul este lipsit de sarcină electrică, în timp ce protonul are o sarcină pozitivă egală cu e. Un atom neutru are întotdeauna un număr de protoni în nucleu egal cu numărul de electroni ce gravitează în jurul nucleului. Un obiect oarecare este în stare neelectrizată dacă în toți atomii săi numărul electronilor este egal cu cel al protonilor.

Dacă o vergea de sticlă este frecată cu o bucată de stofă, atunci, energia mecanică de frecare transmisă va determina atât electrizarea stofei cât și a bastonului de sticlă. Pe seama acestei energii, o parte din electroni se pot desprinde din atomul gazdă și în acest fel pot să ajungă pe cel de-al doilea obiect. Deoarece cele două obiecte în contact sunt de natură diferită, se vor desprinde mai mulți electroni din atomii în care legătura este mai slabă și în acest fel unul din obiecte va avea un surplus de electroni și deci, o sarcină netă negativă, în timp ce al doilea obiect va avea un deficit de electroni și o sarcină netă pozitivă.

Corpurile pot fi electrizate prin frecare, contact cu alte corpuri electrizate, sau prin influență. Există și clase de substanțe care pot fi electrizate prin iradiere cu raze ultraviolete , prin acțiuni mecanice externe, respectiv prin reacții chimice.

În procesele de electrizare, cele două feluri de sarcini electrice apar simultan și în cantități identice; ele nu pot fi nici create și nici distruse, ci pot să fie doar deplasate. În toate procesele fizice guvernează această lege, enunțată de Faraday și numită legea conservării sarcini electrice.

Din această lege, s-a stabilit postulatul fundamental al electrostaticii:

Suma algebrică a sarcinilor repartizate în diferite puncte ale unui sistem electric izolat, este invariantă în timp.

Din punct de vedere al fenomenelor electrostatice, substanțele pot fi împărțite în conductori electrici și dielectrici.

Conductorii electrici sunt substanțe care, în condițiile normale în care sunt utilizate, sunt bune conducătoare de electricitate. La conductori există particule care se pot deplasa, transportând sarcini electrice, numite particule libere.

Dielectricii sunt substanțe rele conducătoare de electricitate (adică lasă să treacă greu particule încărcate cu sarcină electrică), deoarece, în general, nu conțin particule libere, încărcate cu sarcină electrică. Din categoria dielectricilor fac parte substanțele izolante. Prin aceste substanțe nu trec curenți electrici. Izolatorul ideal are conductivitatea electrică nulă.

Experiența arată că, în natură, există atât izolatori cât și conductori, deosebirea constă de fapt în durata de timp necesară pentru a putea constata stabilirea unei stări de echilibru a sarcinilor pe un corp introdus într-un câmp electric. În cazul substanțelor conducătoare, acest interval de timp este foarte mic (10-6 sec.), în timp ce în cazul izolatorilor sarcinile se mișcă extrem de încet (zile, luni), fără a rămâne însă, absolut fixe. Substanțele ale căror proprietăți sunt intermediare între cele ale substanțelor conductoare și cele dielectrice, sunt substanțe semiconductoare.

1.2. Noțiunea de câmp electric. Intensitatea câmpului electric

După cum am precizat deja, în natură există numai două tipuri de sarcini electrice, sarcini pozitive și sarcini negative. Este important să precizăm că în procesele de electrizare, cele două tipuri de sarcini electrice apar simultan și în cantități identice și nu se cunoaște nici un fenomen în care să apară ori să dispară sarcini electrice de un singur tip, în toate procesele fizice guvernând principiul conservării sarcinilor electrice.

Se știe că o particulă încărcată cu sarcină electrică (pozitivă sau negativă) creează în mediul înconjurător o stare fizică specială, numită câmp electric. Acest fenomen se observă și în jurul corpurilor electrizate. Experimental s-a constat că sarcinile electrice, aflate în repaus, sunt surse sau izvoare ale câmpului electric.

Pentru caracterizarea câmpului electric se folosesc de obicei manifestările sale, astfel putem caracteriza câmpul electric prin forțele electrice care acționează asupra corpurilor încărcate, introduse în câmp. Vom considera un corp solid de dimensiuni neglijabile, conductor electrizat, pe care îl numim corp de probă. Pentru ca rezultatele obținute în diferite locuri din câmp, cu ajutorul corpului de probă, să fie comparabile între ele, starea de electrizare a acestuia trebuie să fie invariabilă, adică, în condiții exterioare identice, să se exercite asupra lui forțe de natură electrică egale. Starea corpurilor de probă trebuie să îndeplinească o serie de condiții: una dintre acestea este ca prezența lor să nu modifice sensibil starea electrică inițială care urmează să fie cercetată.

Condiția aceasta este satisfăcută dacă corpurile au dimensiuni neglijabile, deci sunt practic punctiforme, astfel acestea nu prezintă neuniformități. În aceste condiții, se pot măsura forțele electrice dintr-o regiune cât mai mică și cu valori cât mai mici.

Experimental s-a observat că într-un punct oarecare al câmpului electric, două corpuri de probă cu sarcinile q1, q2 vor fi supuse acțiunii a două forțe F1 și F2 , astfel încât: