Introducere în ingineria electrică

Partea A. ELECTRICITATE SI MAGNETISM. NOTIUNI FUNDAMENTALE.

Aceasta prima parte introduce marimile specifice electromagnetismului si unele relatii de legatura între acestea si trateaza din punct de vedere fenomenologic cele doua aspecte relativ distincte ale teoriei electromagnetismului, câmpul electromagnetic si circuitele electrice.

Capitolele principale ale acestei sectiuni sunt:

A1. Electrostatica: sarcini electrice si câmpul electric asociat;

A2. Curenti electrici, câmpuri electrocinetice si circuite electrice în curent continuu;

A3. Câmpuri magnetice constante în timp;

A4. Fenomenul inductiei electromagnetice. Circuite de curent alternativ;

A5. Câmpul electric în corpuri. Starea de polarizare electrica;

A6. Câmpul magnetic în corpuri. Starea de magnetizare. Circuite magnetice.

Magneti permanenti.

Introducere

Întelegerea fenomenelor electrice si magnetice care caracterizeaza functionarea echipamentelor electrice este posibila pe baza cunostiintelor care astazi poarta denumirea de teoria clasica a electromagnetismului.

Notiunea fenomene electromagnetice defineste o clasa specifica a fenomenelor fizice care se manifesta în prezenta unor corpuri aflate în stari fizice speciale, cum ar fi de exemplu starea de încarcare cu sarcini electrice, sau starea de magnetizare, denumite stari electromagnetice.

Depasind posibilitatile de perceptie ale simturilor umane, studiul fenomenelor electrice si magnetice se face prin evaluari cantitative ale unor efecte ale acestora, de tipul forte sau cupluri de forte, denumite în general actiuni ponderomotoare electromagnetice.

Teoria clasica a electromagnetismului a fost initiata de M. Faraday si desavârsita de J. C. Maxwell, autorul lucrarii “A Treatise on Electricity and Magnetism”, (1873). Aceasta teorie are la baza notiunea câmp electromagnetic, definit ca fiind o forma de existenta a materiei prin care se transmit în spatiu si timp actiuni ponderomotoare. Aceasta teorie este una de tip fenomenologic, în sensul ca foloseste ca elemente primare date experimentale.

O mare parte a fenomenelor electrice în tehnica poate fi explicata admitând unele ipoteze simplificatoare în teoria câmpului electromagnetic, ceea ce a condus la dezvoltarea unor ramuri distincte ale electromagnetismului, teoria circuitelor electrice. Un astfel de exemplu îl reprezinta modelarea prin circuite electrice echivalente a transformatoarelor si masinilor electrice.

Marimea fizica este o proprietate a starilor si fenomenelor fizice susceptibila de determinari cantitative prin comparatie cu o marime de referinta de aceeasi natura, denumita unitate de masura [ ]. Rezultatul acestei comparatii este masura sau valoarea marimii fizice relativa la unitatea aleasa. Marimile introduse pe cale experimentala se numesc marimi primitive, spre deosebire de marimile derivate, care se definesc în functie de alte marimi cunoscute.

Câmpului electromagnetic îi sunt specifice sase marimi primitive: sarcina electrica, momentul electric, intensitatea curentului electric de conductie, intensitatea câmpului electric în vid, momentul magnetic si inductia câmpului magnetic în vid.

Capitolul A1. ELECTROSTATICA

Electrostatica este o forma particulara de existenta a câmpului electromagnetic în prezenta unor corpuri aflate în stare de electrizare invariabila în timp. În volumul "Electricitate si Magnetism" al cursului de fizica Berkeley definitia data electrostaticii este: fizica sarcinilor electrice stationare.

A1.1. Starea de electrizare a corpurilor. Marimile de stare ale câmpului

electromagnetic în vid

Se constata experimental ca în urma frecarii unei bare de sticla cu o bucata de matase urmata de separarea acestor doua corpuri, atât între ele cât si asupra altor corpuri situate în apropiere se exercita actiuni ponderomotoare, inexistente anterior experimentului. Corpurile se afla prin urmare într-o stare noua, denumita stare de electrizare.

Actiunile ponderomotoare asupra corpurilor vecine, cu care nu sunt în contact evidentiaza o stare noua a regiunii din jurul corpurilor denumita câmp electric.

Un corp initial neelectrizat poate fi adus în stare de electrizare prin contactul cu un alt corp electrizat. Intervalul de timp dupa care corpul initial neutru este respins de corpul initial electrizat difera de la un corp la altul: corpurile pentru care acest timp este 10-6-10-9 secunde se denumesc corpuri conductoare, iar cele pentru care acest interval este mai mare de o secunda sunt corpuri izolante (izolanti electrici).

Se constata de asemenea experimental ca forta care actioneaza în câmp electric asupra unui corp conductor electrizat nu depind de orientarea acestuia în spatiu si ca asupra acestuia nu actioneaza cupluri de rotatie. În cazul corpurilor izolate, forta poate depinde de orientarea acestora în spatiu, iar asupra lor actioneaza si cupluri care orienteaza aceste corpuri dupa directii specifice. Pornind de la aceste constatari, se afirma ca starea de electrizare a corpurilor conductoare este o stare de încarcare electrica ( de încarcare cu sarcini electrice). În afara acestei stari, corpurile izolante pot avea si o alta stare, denumita de polarizare electrica, pe care o vom defini ulterior.