Studiul sarcinilor electrice în repaus, al câmpului electric și al condensatorului.
Sarcina electrică este mărimea fizică ce caracterizează starea de electrizare a corpurilor. Se măsoară în coulombi (C) și există în două feluri: pozitivă și negativă. Corpurile încărcate cu sarcini de același semn se resping, cele cu sarcini de semne contrare se atrag.
Sarcina este cuantificată: orice sarcină este un multiplu întreg al sarcinii elementare e = 1,6·10^-19 C, sarcina protonului. Electronul are aceeași valoare, cu semn negativ. Deci Q = N·e, unde N este un număr întreg de electroni în exces sau în deficit.
Legea conservării sarcinii electrice: într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor rămâne constantă. Electrizarea nu creează sarcină, ci doar o transferă: un corp frecat se încarcă negativ pentru că a primit electroni de la celălalt, care rămâne cu aceeași cantitate de sarcină pozitivă.
Metodele de electrizare sunt trei: prin frecare, prin contact (corpul atins capătă sarcină de același semn) și prin influență (inducție), în care sarcinile se redistribuie fără atingere.
Legea lui Coulomb dă forța de interacțiune dintre două corpuri punctiforme încărcate:
F = k·|q1·q2|/r^2, cu k = 9·10^9 N·m^2/C^2 în vid
Forma este identică cu a legii atracției universale, dar cu două deosebiri: forța electrică poate fi și atractivă, și repulsivă, iar intensitatea ei este enorm mai mare decât cea gravitațională la aceleași distanțe.
Într-un mediu cu permitivitate relativă ε_r, forța scade de ε_r ori față de vid: apa, cu ε_r aproximativ 81, slăbește foarte mult interacțiunile electrice — motivul pentru care sărurile se dizolvă în apă.
Interacțiunea dintre sarcini se transmite prin câmp electric: regiunea din spațiu în care asupra unei sarcini plasate acolo se exercită forțe electrice.
Mărimea care caracterizează câmpul în fiecare punct este intensitatea câmpului electric:
E = F/q
adică forța ce acționează asupra unității de sarcină pozitivă. Este o mărime vectorială, măsurată în N/C sau, echivalent, în V/m. Sensul lui E este cel al forței asupra unei sarcini pozitive de probă.
Câmpul creat de o sarcină punctiformă la distanța r are modulul E = k·Q/r^2 și, esențial, nu depinde de sarcina de probă introdusă în câmp — este o proprietate a spațiului din jurul sursei.
Liniile de câmp sunt linii tangente în fiecare punct la vectorul E. Reguli obligatorii:
Un câmp uniform are aceeași valoare și aceeași direcție în toate punctele; liniile sale sunt drepte paralele și echidistante. Se realizează practic între armăturile plane și paralele ale unui condensator.
Într-un conductor aflat în echilibru electrostatic, câmpul electric interior este nul, iar sarcina în exces se distribuie exclusiv pe suprafața exterioară, concentrându-se pe vârfuri și muchii. De aici două aplicații: cușca Faraday, care protejează interiorul de câmpuri exterioare (caroseria mașinii în timpul unei furtuni), și paratrăsnetul, care exploatează efectul de vârf.
La deplasarea unei sarcini într-un câmp electric, forța electrică efectuează lucru mecanic. Ca și forța gravitațională, forța electrostatică este conservativă: lucrul ei nu depinde de drumul parcurs, ci doar de pozițiile inițială și finală.
De aceea se poate defini o energie potențială electrică W și, raportând-o la sarcină, o mărime care caracterizează câmpul independent de sarcina de probă:
potențialul electric V = W/q, măsurat în volți (1 V = 1 J/C)
Tensiunea electrică (diferența de potențial) între două puncte:
U = V1 - V2 = L/q
Deci 1 volt este tensiunea dintre două puncte între care câmpul efectuează un lucru mecanic de 1 joule pentru a deplasa o sarcină de 1 coulomb.
Pentru un câmp uniform, relația dintre intensitate și tensiune este:
U = E·d, unde d este distanța dintre puncte, măsurată pe direcția liniilor de câmp
De aici rezultă și echivalența unităților: N/C este același lucru cu V/m.
Suprafețele echipotențiale sunt suprafețele pe care potențialul are aceeași valoare; ele sunt mereu perpendiculare pe liniile de câmp. Deplasarea unei sarcini de-a lungul unei suprafețe echipotențiale se face cu lucru mecanic nul.
O unitate practică folosită la fizica atomică este electronvoltul: 1 eV = 1,6·10^-19 J, energia câștigată de un electron accelerat sub o tensiune de 1 V. Este o unitate de energie, nu de tensiune — confuzia este frecventă.
Un condensator este un sistem format din două conductoare (armături) separate printr-un dielectric (izolator), care poate acumula sarcină electrică și energie.
Capacitatea electrică este raportul dintre sarcina acumulată pe o armătură și tensiunea dintre armături:
C = Q/U, măsurată în farazi (1 F = 1 C/V)
Faradul este o unitate uriașă; în practică se folosesc microfarazi, nanofarazi și picofarazi.
Capacitatea nu depinde de sarcină și de tensiune, ci exclusiv de construcția condensatorului. Pentru condensatorul plan:
C = ε_0·ε_r·S/d
unde S este aria unei armături, d distanța dintre armături, ε_0 = 8,85·10^-12 F/m permitivitatea vidului, iar ε_r permitivitatea relativă a dielectricului. Prin urmare capacitatea crește cu aria armăturilor și cu permitivitatea dielectricului și scade când armăturile se depărtează.
Gruparea condensatoarelor este exact inversă grupării rezistoarelor, motiv de confuzie constantă:
Energia acumulată în câmpul electric al condensatorului:
W = C·U^2/2 = Q·U/2 = Q^2/(2C)
Energia este stocată în câmpul electric dintre armături. Pe acest principiu funcționează blițul aparatului foto, defibrilatorul și circuitele de filtrare din sursele de alimentare, care descarcă rapid energia acumulată lent.
Câteva situații care revin în subiecte și în care se pierd cele mai multe puncte.
Sarcina și masa nu sunt același tip de mărime. Sarcina este scalară și poate fi pozitivă sau negativă, masa este întotdeauna pozitivă. Interacțiunea gravitațională este doar de atracție; cea electrică poate fi și de respingere.
E și U nu sunt interschimbabile. Intensitatea câmpului este vectorială, se măsoară în V/m și caracterizează câmpul într-un punct; tensiunea este scalară, se măsoară în volți și se referă la două puncte. Legătura lor, în câmp uniform, este U = E·d.
Potențialul poate fi zero într-un punct în care câmpul nu este zero, și invers. Exemplu clasic: la mijlocul distanței dintre două sarcini egale și de semne opuse, potențialul este nul, dar câmpul este maxim; la mijlocul distanței dintre două sarcini egale și de același semn, câmpul este nul, dar potențialul nu.
Un condensator încărcat, deconectat de la sursă, păstrează sarcina constantă, iar dacă i se depărtează armăturile capacitatea scade, deci tensiunea crește. Dacă rămâne conectat la sursă, tensiunea este cea care rămâne constantă, iar sarcina se modifică. Precizarea despre conectare schimbă complet răspunsul, deci trebuie citită cu atenție în enunț.
Introducerea unui dielectric între armături crește capacitatea de ε_r ori. La tensiune constantă, sarcina acumulată crește proporțional.
În fine, efectul de vârf: sarcina se aglomerează pe zonele ascuțite ale conductoarelor, iar câmpul devine acolo suficient de intens pentru a ioniza aerul. Este mecanismul pe care se bazează paratrăsnetul și motivul pentru care nu te adăpostești sub un copac izolat în timpul furtunii.