Regim electrostatic - Definire, caracterizare, legi si teoreme specifice

Regimul electrostatic este regimul starilor electrice invariabile in timp, neinsotite de curenti electrici de conductie si de transformari energetice in conductoare, fiind produs de sarcini electrice individuale sau de distributii de sarcini electrice adevarate sau de polarizatie (cazul practic).

Caracteristice acestui regim sunt starile de electrizare si cele de polarizare electrica ale corpurilor si existenta campului electrostatic.

Se numeste stare de electrizare sau stare de incarcare electrica a unui corp acea stare complet caracterizata de sarcina electrica adevarata libera, q, in general multiplu al sarcinii elementare ,care este sarcina electronului.+)

Se numeste stare de polarizare a unui corp (exclusiv izolator) acea stare determinata de existenta sarcinilor electrice legate (dipoli) si caracterizate complet prin momentul electric .

Se numeste camp electrostatic campul produs de un corp (sau de un sistem de corpuri) aflat(e) in stare de repaus si incarcat(e) cu sarcini electrice adevarate sau de polarizatie.

Din punct de vedere al actiunilor ponderomotoare (cupluri si forte) exercitate asupra unui mic corp de proba din material izolator (dielectric), campul electrostatic poate fi:

a. camp electrostatic omogen, in care intensitatea acestuia, , nu depinde de pozitia () a punctului in camp, si care actioneaza asupra corpului de proba numai prin forte - cazul corpurilor electrizate - , sau numai prin cupluri - cazul corpurilor polarizate;

b. camp electrostatic neomogen, care actioneaza asupra corpului de proba atat prin forte, cat si prin cupluri.

Asa cum s-a aratat, in cazul unui camp electrostatic omogen, vectorul camp electric nu depinde de distanta , fiind considerat constant in toate punctele din camp, pe cand in cazul unui camp electrostatic neomogen, acesta depinde de (); practic un camp electric se poate considera omogen doar intre armaturile foarte apropiate ale unui condensator electric.

Evidentierea starii de electrizare

Aceasta se poate pune in evidenta introducand intr-un camp electric omogen un mic corp de proba electrizat, de exemplu, prin frecare sau prin contact.

Experienta arata ca asupra corpului se exercita o forta electrica independenta de pozitia corpului () si orientarea acestuia, avand directia vectorului camp electric si fiind proportionala cu el:

In aceasta relatie factorul de proportionalitate q nu depinde de si nici de , aceasta definind starea de incarcare electrica adevarata (starea de electrizare) a corpului de proba; q reprezinta sarcina electrica (adevarata) a corpului de proba si este, prin conventie, pozitiva sau negativa:

,

dupa cum si sunt omoparalele sau antiparalele.

Notiunea de stare de incarcare electrica adevarata doreste sa evidentieze faptul ca mai exista, in afara de aceasta, o alta stare de electrizare, si anume electrizarea prin polarizare ( a se vedea capitolul referitor la polarizare).

Starea de electrizare se poate obtine prin: frecare, contact, iradiere, introducerea corpului izolator intr-un camp electric.

In afara marimii (primitive) q, sarcina electrica poate fi exprimata si cu ajutorul densitatilor de sarcina lineica, superficiala, volumetrica, , - marimi derivate.

Castigarea starii de electrizare poarta numele de incarcare electostatica, iar pierderea acesteia - descarcare electrostatica.

Din punct de vedere al modului de descarcare electrica se deosebesc:

a) conductori electrici: metale, carbune, solutii de saruri organice, baze, acizi etc. - cu descarcare practic instantanee(relaxare electrostatica rapida);

b)    izolatori electrici (dielectrici): matase, mica, marmura, portelan, cauciuc, rasini sintetice, mase plastice, textolit, pertinax, aer uscat, uleiuri minerale, lemn, sticla, vid etc. - cu descarcare practic foarte lenta in timp (relaxare in timp indelungat).

Astfel, conductoarele descarca prin contact corpurile electrizate, pe cand izolantii nu-si schimba practic starea electrica in contact cu corpurile de electrizate.

Pentru descarcarea unui corp electrizat, acesta se va pune in contact cu un conductor sau cu pamantul.

Conservarea sarcinii electrice

Sarcina totala a unui sistem de corpuri izolat electric este constanta:

Aceasta relatie este o consecinta, pentru corpuri izolate electric, a legii conservarii sarcinii electrice ().

Conservarea sarcinii electrice poate fi evidentiata experimental in doua situatii:

a) daca doua corpuri electrizate cu sarcini electrice vin in contact, se produce un transfer de sarcini intre ele, astfel incat sarcina totala ramane constanta;

b) daca se freaca doua corpuri, dintre care unul se incarca cu sarcina pozitiva iar celalalt - negativa, valoarea absoluta a sarcinii totale ramane constanta (frecarea nu aduce sarcini noi).

La frecarea a doua corpuri izolatoare unul de celalalt, cel cu constanta dielectrica mai mare se incarca pozitiv, iar celalalt negativ (regula lui Cohen). Densitatea sarcinii electrice superficiale din frecare este data de relatia lui Beach:

(C/m²).

Interpretarea fizica a starii de electrizare

La nivel macroscopic, starea de incarcare electrica se defineste ca un exces sau un deficit de purtatori de sarcina electrica libera, cum sunt:

electronii, in cazul metalelor;

electronii si golurile, in cazul dielectricilor.

Incarcarea sau descarcarea electrica a corpurilor este urmarea unui schimb de purtatori de sarcini electrice libere intre acestea, sau intre ele si mediu.

Unitati de masura. Rationalizarea

Unitatea de masura a sarcinii electrice este Coulombul(C). Un coulomb este sarcina unui mic corp conductor care exercita o forta de 9.10⁹N asupra unui alt corp conductor, incarcat cu aceeasi cantitate de sarcina, situat in vid, la distanta de 1m, departe de alte corpuri (influente electrice).

Sistemul de unitati de masura utilizat este sistemul MKSA rationalizat, respectiv sistemul international SI.

Rationalizarea a condus la disparitia factorului (sau ) din legile generale si, ca urmare, la simplificarea acestora, cu pretul aparitiei acestui factor in alte relatii mai putin generale (de exemplu in teorema lui Coulomb).

In sistemul international SI se aleg:

- sistemul MKS ca sistem mecanic de baza;

- constanta k= 1;

- amperul (A) ca unitate independenta,

aceasta din urma corespunzand la alegerea lui drept constamta universala. Ca urmare, permitivitatea dielectrica a vidului,, va fi considerata ca o marime derivata in cadrul acestui sistem.

Exemplu - Definirea unitatii de sarcina electrica (Coulomb-ul) cu ajutorul teoremei lui Coulomb:

; k=1;

; ; rezulta: q=1 Coulomb.

Legi si teoreme specifice

Principalele legi si teoreme utilizate la studiul regimului electrostatic sunt:

- legea fluxului electric;

- legea polarizatiei electrice temporare;

- legea legaturii dintre ,si ;

- legea conservarii sarcinii electrice;

- legea echilibrului electrostatic (caz particular pentru regimul electrostatic al legii conductiei electrice);

- teorema lui Coulomb;

- teorema potentialului electrostatic;

- teorema conservarii componentelor tangentiale si respectiv normale ale campului electric si ale inductiei electrice;

- teorema refractiei liniilor de camp electric la suprafata de separatie a doua medii;

- teorema energiei in campul electrostatic.