Forte electrice
Inceputul perioadei de fundamentare a teoriei fenomenelor electrice este marcata de odtinerea legii care da maimea fortei de interactiune dintre doua corpuri , considerate punctiforme,electrizate.Aceasta lege poarta numele fiyicianului care a stabilit-o,Charles Augustin de Coulomb.
Inspirandu-se din experimentele lui Cavendish(efectuate in scopul calcularii constantei atractiei gravitationale),folosind ca si acesta o balanta de torsiune ,Coulomb stabileste ca marimea fortei de interactiune dintre doua corpuri incarcate cu sarcinile electrice q1 si respectiv q2 ,sferice,cu diametrul neglijabil in raport cu distanta dintre ele r este:
F=
C fiind constanta de proportionalitate.
S-a constatat ca , pentru un sistem dat,marimea fortei electrostatice este maxima in vid (F0) in comparatie cu un mediu dielectric oarecare (F).Raportul este o caracterristia a acelui mediu dielectric,se noteaza cu simbolul er , adimensional (nu are unitate de masura) si are denumirea de permitivitate electrica relativa .Semnificatia fizica a acestiu parametru este urmatoarea : permitivitatea electica relativa a unui mediu dielecric (izolator electric) indica de cite ori este mai mare forta electostatica in vid decit in mediul respecti pentru acelasi sistem fizic.
Permitivitatea electrica relativa este un numar supraunitar ,er>1.Pentru vid ,er0=1, iar pentru aerul din atmosfera,in conditii obisnuite er=1,006.
Pentru a exprima unele legi utilizate frecvent in electricitate prin relatii cit mai simple , s-a cnvenit sa se atribuie constanti C valoarea :F=C
unde e este permitivitatea electrica absoluta a mediului dielectric,diferita ca o constantade material.
C =
Pentru un sistem fizic constituit din doua corpuri ce pot fi considerate punctiforme,electrizate cu sarcinile q1,q2,legea lui Coulomb are forma urmatoare :
F=9×109
Cunoscind permitivitatea absolut a vidului,e0=8,856×10-12 c2/(Nm2) si evaluind =9×109N×m2/c2,legea lui Coulomb se poate exprima si prin relatia :
F=9×109
Pentru ca forta este un vector,seimpune pentru o expresie completa a legii lui Coulomb,o relatie vectoriala.Alegind convenabil un sens pentru segmentul determinat de cele doua corpuri electrizate (considerate punctiforme),expresia vectoriala a fortei coulombiene poate fi obtinuta astfel:
LEGEA LUI COULOMB
In 1785, Coulomb a gasit experimental relatia cantitativa care exprima forta de interactiune, in functie de sarcinile electrice in przenta si de distanta respectiva.El s-a servit de o balanta de torsiune.
O bara izolanta, cat mai usoara, este suspendata cu un fir subtire. Ea poarta, la un capat, o mica sfera conductoare, iar la capatul opus e lipita o aripioara de hirtie, care amortizeaza oscilatiile si, totodata echilibreaza greutatea sferei.
O a doua sfera, egala in diametru, este fixata rigid, pe un suport izolant, la nivelul primei si la aceeasi distanta, fata de firul de suspensie al barei.
Tot sistemul este introdus intr-un cilindru protector, de sticla, unde o substanta higroscopica absoarbe vaporii de apa, ca sa asigure o cat mai buna izolare.
1.In prima seriie de cercetari, se incarca ambele sfere cu cate o sarcina electrica oarecare. Ele se atrag sau se resping si, cu ajutorul unghiului de torsiune al firului, putem determina forta de interactiune.
Rezultatul experientelor ne duce la concluzia ca aceasta forta este invers proportionala cu patratul distantei dintre centrele sferelor.
2.In a doua srie de cercetari, cele doua sfere, prealabil electrizate, sunt descarcate treptat, prin atingere cu o a treia sfera izolata, de aceeasi marime, dar neelectrizata.
Prin atingeri succesive, se poate reduce sarcina oricareia din sfere, intii la jumatate din valoarea initiala, apoi la un sfert si asa mai departe.
Rasucind capatul de sus al firului de suspensie, asa ca sa reducem, de fiecare data, sferele la distanta la care se gaseau inainte de electrizare, unghiul de torsiune respectiv ne permite iarasi sa calculam forta de interactiune, pentru diferitele valori ale sarcinilor.
Iar daca notam cu Q si Q’ sarcinile initiale, constatam experimental ca, dupa diferitele descarcari succesive,
pentru sarcinile Q si Q’ forta masurata este F
pentru sarcinile Q/2 si Q’ forta masurata este F/2
pentru sarcinile Q/2 si Q’/2 forta masurata este F/4
si asa mai departe.
De aici se vede ca, indiferent de unitatile in care am exprimat sarcinile electrice, forta de interactiune, la o distanta data, este proportionala cu produsul lor.
Aceste doua serii de cercetari ne duc impreuna la concluzia ca forta de interactiune F, intre doua corpuri, incarcate cu sarcinile Q1 si Q2 si situate la distanta r , se poate exprima prin relatia :
in care constanta de propartionalitate ε caracterizeaza mediul separator, din punct de vedere electric si se numeste constanta dielectrica saupermitivitate.
Valoarea ei numerica si dimensiunile fizice depind de sistemul unitatilor folosite.
Aceasta relatie, fundamentala in electrostatica, exprima legea lui Coulomb.
Cantitatile de electricitate Q, pe care le-am numit sarcini elecrice vor fi considerate ca punctiforme, adica raspindite pe corpuri cu dimensiuni geometrice practic neglijabile, in comparatie cu distanta care le separa.
Formula lui Coulomb este analoga cu formula lui Newton, prin care am exprimat fortele de interactiune ale maselor gravitationale.
De aceea sarcinile elctrice se mai numesc uneori si mase electricei, dar aceasta denumire tinde sa fie parasita.
Din acelasi motiv, tot asa cum fortele gravitationale se mai numesc si newtoniene, vom numi coulombiene fortele de interactiune electrica.
In concluzie : fortele coulombiene, ce apar intre doua corpuri electrizate, sunt direct proportionale cu produsu sarcinilor electrice si invers proportionale cu patratul distantei care le separa.
Intensitatea acestor forte scade, cind creste permitivitatea mdiului dielectric.
Experientele lui Coulomb, care au dus la formularea legii, repetate chiar si in conditiile de astazi, duc la rezultate destul de neprecise, fiindca fortele de masura sunt foarte mici.