Electrostatica este știința fizică care se ocupă cu studiul sarcinilor electrice aflate în repaus. Un exemplu de fenomen electrostatic: frecând două materiale inițial neutre din punct de vedere electric (cum ar fi o baghetă de ebonită sau chihlimbar și o bucată de material textil sau lână), unul se încarcă pozitiv (materialul textil) și celălalt negativ (bagheta). Încărcarea electrică se întâmplă în principal deoarece între atomii celor două materiale se formează pentru scurt timp legături chimice (ce implică transfer de electroni), care sunt apoi rupte, astfel încât unul dintre materiale rămâne cu mai mulți electroni, iar celălalt cu mai puțini decât la început. Mirajul electricității a stârnit imaginația oamenilor încă din antichitate, din vremea lui Thales din Milet, când s-a observat că unele substanțe pot atrage corpuri mai ușoare după ce sunt frecate de alte materiale.
Noțiuni fundamentale despre sarcini, câmp electric și tipuri de materiale
În edificiul structurii atomului există o parte centrală, încărcată pozitiv - nucleul - în jurul căruia se mișcă electroni, la diferite distanțe. Așadar, în orice particulă constituentă a substanțelor, atomi, molecule, există sarcini pozitive și sarcini negative. Dacă particula este neutră, atunci n+ = n-. Din punct de vedere al capacității de mișcare există sarcini libere și sarcini legate. Primele se pot mișca pe spații limitate în solide, lichide, gaze. Dacă numărul de sarcini libere este constant și nu depinde de temperatură, substanța este conductoare. Aceasta este situația metalelor și a majorității aliajelor, în care electronii sunt sarcini libere, sau a electroliților în care ionii pozitivi și negativi sunt sarcini libere. Dacă punem sarcini în exces acestea se vor distribui pe suprafață. Corpurile în care sarcinile sunt legate de anumite poziții sunt numite corpuri izolatoare.
Introducerea unei distribuții neuniforme de sarcini pozitive și negative în corpuri reprezintă un proces de electrizare. Există o diferențiere între modul de plasare a sarcinilor electrice, apărute prin electrizare pe de o parte în conductori, pe de alta în izolatorii solizi. În primul caz, sarcina electronică în exces se va distribui pe toată suprafața, în timp ce în izolatori nu se va împrăștia, va rămâne localizată și se înmagazinează în adâncime. De ce se dispune sarcina negativă în exces pe suprafața conductorilor? Răspunsul este legat de faptul că în metalele în stare neutră sarcina totală a ionilor pozitivi este egală cu cea a electronilor liberi.
Componentele câmpului electric și efectele sale
Descrierea matematică a interacțiunilor electrostatice a implicat introducerea mărimii sarcină electrică prin intermediul unor mărimi mecanice. Fenomenul însuși este influențat de mediul în care sunt plasate sarcinile, de aceea se poate trage concluzia că el se exercită efectiv printr-o formă a materiei, o formă care nu mai este percepută direct de simțurile umane. Întocmai ca în cazul atracției universale, în jurul unei sarcini electrice există un câmp de forțe electrice. O sarcină electrică își exercită acțiunile electrostatice asupra altor sarcini situate în spațiul înconjurător prin intermediul unei stări a materiei numită câmp electric. Numeroase experiențe au arătat că în regiunea vârfurilor corpurilor conductoare electrizate există o mare concentrare a liniilor de câmp, deci câmpuri electrice foarte intense.
În zona vârfurilor conductoare apare o densitate de sarcină superficială mai mare decât în porțiunile netede, ceea ce generează un câmp electric mai intens. Datorită acestor câmpuri electrice puternice, pot fi smulși electroni din moleculele aerului înconjurător; prin aceste vârfuri se produce o scurgere de electricitate. Pe un vârf „vin” sau „pleacă” electroni, în funcție de semnul încărcării. Pe acest principiu poate fi construită o morișcă dintr-un braț metalic cu două capete ascuțite, ce se poate roti în jurul unui suport izolator. Să încărcăm lama metalică cu electricitate pozitivă. Din cauza câmpului electric puternic la capete, electronii smulși din moleculele aerului se îndreaptă spre morișcă, o lovesc și se depun pe ea. O aplicație practică foarte importantă a vârfurilor conductoare încărcate electric o constituie filtrul electrostatic, care are funcția de a purifica aerul din incinte închise sau de a reține particulele eliminate pe coșurile fabricilor de ciment sau de altă natură.
Metode de electrizare: tradiție, mecanisme și evoluția cunoașterii
Antichitatea cunoștea două metode de electrizare: electrizarea prin frecare, descrisă de Thales din Milet, și piroelectricitatea descoperită de hinduși. După secolul XVIII, au fost întâlnite alte metode: electrizarea prin contact, prin influență; electrizarea norilor. Ulterior au fost dezvoltate și alte mecanisme de obținere a electricității: pila Volta, termoelectricitatea, razele catodice, emisia termoelectrică, fotoelectricitatea, radioactivitatea, emisia electronică în urma reacțiilor violente. Prin frecarea a două substanțe este posibil ca electronii de valență să fie rupți de legăturile lor și să treacă pe cealaltă.
Este evident că mecanismele intime ale electrizării pot implica ionizare termică sau alte procese complexe legate de afinitatea diferită pentru electroni a diferitelor materiale. Există o clasă de substanțe care în câmp electric se polarizează; dielectricii, care nu trebuie confundate cu izolatorii. Polarizarea dielectricului poate fi indusă de un câmp electric sau poate exista în mod spontan. Electrizarea prin contact are loc la contactul a doi sau mai mulți conductori aflați la potențiale diferite; trecerea sarcinilor la contact se oprește atunci când potențialele devin egale. Electrizarea prin influență apare când un corp încărcat se apropie de unul neutru; distribuția sarcinilor depinde de corpul studiat.
Aplicatii practice și exemple
În zona vârfurilor, câmpurile electrice intense pot genera ionizarea particulelor din aer; filtrul electrostatic utilizează acest principiu pentru purificarea aerului sau reținerea particulelor din coșuri. De asemenea, morișcile sau aparatele electrostatice din laborator ilustrează modul în care sarcinile se transferă prin contactul și frecarea corpurilor. Mașinile de electrizare, cum ar fi cele descrise în text (condensatoare, mașina Wimshurst), ilustrează producerea și acumularea de sarcini electrice prin frecare și separarea polarităților.
Note despre surse istorice relevante
Thales din Milet a observat proprietatea chihlimbarului de a atrage firișoare de paie când este frecat. Cercetările lui William Gilbert cu versorium au permis distingerea între corpuri electrizate prin frecare și cele care nu se electrizează. Otto de Guericke a construit prima mașină producătoare de electricitate, contribuind la dezvoltarea electrostaticei moderne. Butelia de Leyda și mașinile Wimshurst reprezintă exemple clasice de condensatoare și generatoare utilizate pentru acumularea de sarcini electrice la potențial ridicat.
Încărcare prin inducție - Electrostatică
În concluzie, electrizarea prin frecare, prin contact și prin influență este fundamentul pentru înțelegerea comportamentului corpurilor conductoare și izolatoare în câmpuri electrice, precum și pentru aplicații practice cum ar fi purificarea aerului, funcționarea condensatoarelor și a mașinilor electrostatice.
- Electrizare prin frecare: transfer de electroni între materiale.
- Electrizare prin contact: schimb de sarcini între conductori la potențiale diferite.
- Electrizare prin influență: efectul unui corp încărcat asupra unui corp neutru.
Corpurile în care sarcinile sunt libere se comportă ca conductoare; cele în care sarcinile sunt legate de poziții fixe - ca izolatoare. În conductori, sarcina în exces se distribuie pe întreaga suprafață; în izolatori, sarcina rămâne localizată în adâncime. În general, electronii liberi din structura metalică dau motivul pentru distribuția sarcinii negative pe suprafața conductorilor, în timp ce pozitivii rămân în rețea.
tags: #cum #se #incarca #un #corp #conductor
Postări populare:
- cum influențează vitamina D fertilitatea feminină și masculină
- Instrucțiuni esențiale pentru Doppler fetal în confortul propriului cămin
- Ghid complet despre sarcina gemelară: semne, riscuri și supraveghere medicală
- Tratament pentru hernie ombilicală în centrul de excelență
- Ghid complet pentru prima aniversare