|
|
|
Sarcina electrica, notata cu q, este o marime primitiva care descrie global starea de electrizare a corpurilor. Ea se prezinta valoric printr-un scalar, pozitiv sau negativ.
Starea de electrizare. In general, numim stare de electrizare a corpurilor orice stare in care corpurile pot exercita asupra altor corpuri forte de natura celor produse de corpurile electrizate prin frecare. Asupra corpurilor electrizate se exercita forte care nu existau inainte de a fi electrizate.
Experienta arata ca in afara de frecare, corpurile mai pot fi electrizate in functie si de natura substantei lor si prin contactul cu alte corpuri electrizate, prin incalzire, prn socuri mecanice, prin intindere sau compresiune, prin iradiere cu radiatii ultraviolete sau Roentgen, prin efecte chimice s.a.
Considerandu-se frecarea ca un proces de referinta, prin care corpurile capata o proprietate noua (ienexistenta inainte de frecare) si anume aceea de a exercita forte asupra altor corpuri (frecate sau nu), proprietate careia -calitativ- i se spune stare de electrizare, se constata ca se pot ordona corpurile intr-un sir (in functie de natura substantei din care sunt formate) in asa fel incat prin frecarea unui corp cu oricare corp din stanga lui sa se exercite intre ele forte de atractie si prin frecare cu orice corp din dreapta lui sa se exercite intre ele forte de respingere. Se constata, prin aceasta experienta, ca electrizarii i se poate asocia -conventional- un semn pozitiv sau negativ.
Experienta arata, deci, ca un corp electrizat situat la o distanta de alt corp electrizat este fie atras, fie respins; orice corp neelectrizat este insa intotedeauna atras de orice corp electrizat. Astfel, exista corpuri neelectrizate care dupa ce au fost atrase de un corp electrizat si au ajuns in contact cu el sunt imediat respinse; aceste corpuri se numesc conductori (metalele, carbunele, solutiile de saruri organice, de acizi si de baze sunt materiale conductoare[1]). Alte corpuri continua sa fie atrase si dupa ce au ajuns in contact, unele chiar timp de cateva zile; aceste corpuri se numesc izolanti sau dielectrici (asa sunt: mica, matasea, hartia, portelanul, marmura, sticla, rasinile, ebonita, aerul uscat si multe altele). Corpurile care se situeaza intre cele doua categorii (conductori si izolanti), adica sa fie atrase de corpul electrizat si dupa ce au ajuns in contact cu el, dar un timp de ordinul secundarelor, sa fie respinse, se numesc semiconductori.
Proprietatea de electrizare a corpurilor (sa zicem prin frecare) ce are ca efect producerea unui camp de forte asupra altor corpuri situate in preajma, este o calitate a corpurilor cu un evident caracter cantitativ (ca marime a fortelor din campul produs, numit camp electric), care depinde -asa cum arata experienta- de natura corpurilor electrizate (prin faptul ca fortele pot fi de atractie sau de respingere) si -relativ la un acelasi corp vecin, cu stare invariabila si situat in acelasi punct (la aceeasi distanta)- si de starea lui de electrizare (de "frecare").
Atunci, pentru a determina cantitativ aceasta stare de electrizare a corpurilor, s-a introdus (in teoria macroscopica a campului electromagnetic) marimea fizica denumita sarcina electrica, notata traditionl cu litera q, ca marime primitiva: in mod inductiv si bazat pe experienta, care a constat in determinarea fortelor produse de corpul asa zis electrizat asupra unui corp de proba (v. § 1.1.2), plasat in diferite puncte din camp si in cazul unor stari diferite de electrizare (ca natura a corpului si ca lucru mecanic "cheltuit" pentru frecarea corpului). In trecut sarcina electrica mai era denumita si "cantitate de electricitate".
Sarcina electrica - marime primitiva de stare a corpurilor electrizate. Din punctul de vedere al exprimarii valorice (ca marime matematica), sarcina electrica, q, este un scalar pozitiv sau negativ, experienta aratand ca un corp de proba poate fi supus unei forte de respingere sau de atractie, fapt ce depinde de natura corpului cu aceeasi geometrie si situat in acelasi loc din camp.
Pentru exprimarea cantitativa (valorica) a sarcinii electrice q se poate face urmatorul experiment:
- se considera un sistem oarecare de corpuri imobile electrizate, a,b,c, situate in vid, a caror stare de eletrizare este constanta in timp;
- in
doua puncte oarecare, P si P', in vid, din acest sistem se introduc
succesiv mai multe corpuri de proba, identice din punctul de vedere
structural insa electrizate diferit. Se va constata ca asupra
corpurilor de proba se exercita forte (
ale caror valori absolute si sens sunt in
general diferite (in functie de starea de electrizare diferita
a corpurilor de proba), dar a caror directie ramane
constanta (asa cum se arata in figura 1.2). Acest fapt duce
la concluzia ca valoarea prin care se va exprima cantitativ starea de
electrizare este un scalar;
- ca urmare a acestei constatari, diferitele corpuri de proba se pot grupa in clase de echivalenta (v. §1.1.1) utilizand relatia de echivalenta proportionala: "aceeasi valoare absoluta a fortei F(P) de interactiune". Ordonarea claselor de echivalenta se va face prin relatia de ordonare proportionala: "forta F(P) mai mare".
Daca se considera si celalalt punct P'
(v. fig. 1.2), forta 
-exercitata
asupra fiecarui corp de proba adus in P'- este in general
diferita ca marime, directie si sens fata de
forta 
care se exercita asupra lor cand sunt in punctul P,
insa experienta (masurarile) arata ca
impartirea corpurilor de proba in clase de echivalenta
si ordonarea lor fata de valorile F(P') ale
fortelor din punctul P' ramane aceeasi;
- din cele precedente rezulta ca proprietatea evidentiata de impartire in clase de echivalenta a multimii corpurilor de proba este o caracteristica a acestora, determinata de starea lor de electrizare si nu depinde de punctul din camp in care sunt introduse. Experienta arata ca raportul valorilor absolute ale fortelor exercitate asupra a doua corpuri de proba diferite este acelasi in orice punct, ceea ce inseamna ca se poate scrie (v. fig. 1.2): F1(P)/F2(P) = F1(P')/F2(P') . Aceasta permite asocierea valorilor numerice ale marimii care masoara starea de electrizare a unor corpuri de proba -si s-a denumit aceasta marime sarcina electrica, notata cu qcp- proportional cu valorile absolute (numerice) ale fortelor exercitate asupra acestora intr-un punct dat din regiunea in care exista camp electric. Prin acest experiment rezulta, deductiv, urmatorul postulat:
(1.2)
in care qcp1 si qcp2 sunt sarcinile electrice a doua corpuri de proba, iar F1(P) si F2(P) sunt fortele exercitate asupra acestor corpuri cand sunt plasate succesiv in acelasi punct dat, P;
- reunind doua sau mai multe corpuri de proba intr-un singur corp "rezultant" punctiform, se constata experimental ca valoarea absoluta a fortei ce actionaeza asupra corpului rezultant in punctul P din camp este suma valorilor fortelor care au actionat asupra fiecarui corp de proba "constituent" cand se afla in punctul P. Acest fapt experimental pune in evidenta relatia de descompunere interna a sarcinilor electrice si permite stabilirea izomorfismului intre sarcinile electrice ale corpurilor punctiforme si fortele exercitate asupra acestora in punctul considerat. Aceasta include si conventia de zero ca si pe cea de scara, sarcina electrica fiind direct masurabila (v. § 1.1.1).
Alegand unul din corpurile de proba ca etalon, cu sarcina sa electrica considerata ca unitate de masura qu (cu valoarea numerica egala cu unu), sarcina electrica q, introdusa ca marime de stare a electrizarii corpului punctiform, este complet definita prin:
(1.3)
unde F(P) este valoarea fortei exercitata in punctul P asupra corpului punctiform si Fu(P) este forta exercitata asupra corpului de proba etalon (cu sarcina electrica aleasa ca unitate de masura) cand este plasat in acelasi punct P.
Sarcina electrica fiind o marime aditiva (algebric), inseamna ca expresia (1.3) se poate scrie pentru orice corp, oricat de mare (sarcina electrica fiind o marime de stare a corpurilor si nedepinzand de punctul P, roportul q = F(P)qu/Fu(P) se poate scrie pentru orice punct, deci si pentru unul atat de indepartat, fata de dimensiunile corpului, incat acesta poate fi considerat punctiform), iar prin extensie sarcina q a corpului poate creste oricat.
Unitatea de masura a sarcinii electrice. Etalonul ales in Sistemul International pentru sarcina electrica a corpurilor, adica unitatea de masura SI pentru sarcina electrica, este denumita coulomb si are simbolul C.
In practica se folosesc submultipli: milicoulomb [mC] cu 1mC = 10-3C, microcoulombul [μC] cu 1μ C = 10-6C, nanocoulombul [nC] cu 1nC = 10-9C etc.
[1] Printr-o conventie lingvistica, chiar oficializata, denumirea aparatelor din tehnica sunt substantive ambigene (de gen masculin la singular si feminin la plural). Substantivele conductor, izolant si semiconductor in intelesul natural de substanta au insa pluralul tot de gen masculin, adica conductori, izolanti si semiconductori. Obiectele tehnice (piese, dispozitive, aparate etc) realizate exclusiv din aceste materiale au pluralul de gen feminin, conductoare (de exemplu firele conductoare de legatura), izolatoare (de exemplu piesele de sustinere a cablurilor electrice) si semiconductoare (de exemplu dispozitivele semiconductoare, diode, tranzistoare etc).
