III.1.1. Electrizarea corpurilor și sarcina electrică.

Electrizarea este fenomenul în care un corp neutru se încarcă cu sarcini electrice.

Sarcina electrică (q/Q) este o mărime fizică scalară care măsoară starea de electrizare a unui corp.

Unitatea de măsură în SI pentru sarcina electrică (Q) este:

[Q]_SI = C(coulomb)

Sarcină electrică elementară (e) este cea mai mică sarcină existentă în natură, fiind egală cu modulul sarcinii unui electron (respectiv proton).

e = 1,6 ∙ 10^-19 C

Principiul cuantificării sarcinii electrice

“Sarcina electrică Q a unui corp este o mărime cuantificată, adică ea nu poate lua orice valoare, fiind un multiplu întreg al sarcinii electrice elementare.”

Q = n ∙ e,

unde n ∈ ℤ și e este sarcina electrică elementară = 1,6 ∙10^-19 C

🔦 Observație

Când ne referim la sarcina electrică a unui corp electrizat vorbim de excesul de sarcină care există și care este egal cu diferența dintre sarcina pozitivă totală a protonilor și sarcina negativă totală a electronilor.

Pentru a electriza un corp neutru, există trei metode de electrizare:

1. Electrizarea prin frecare: cele două corpuri, ambele neutre, se încarcă cu sarcini de semne opuse.

2. Electrizarea prin contact: corpul neutru se încarcă cu sarcini de același semn cu ale corpului electrizat. Se modifică sarcina electrică a fiecărui corp, dar sarcina electrică totală rămâne constantă.

3. Electrizarea prin influență (de la distanță): corpul neutru se încarcă cu sarcini de semne opuse corpului electrizat. Corpul electrizat prin influență nu-și modifică sarcina electrică, dar la extremități se încarcă cu sarcini de semne contrare. Are loc o redistribuire a electronilor din corp.

Principiul conservării sarcinii electrice :

“ Într-un sistem izolat din punct de vedere electric, suma algebrică a sarcinilor electrice ale corpurilor din sistem se conservă (rămâne constantă în timp).”

Electrizarea corpurilor prin frecare are loc printr-un transfer de electroni de la un corp la altul, astfel :

• Corpul care cedează electroni, se va încărca cu sarcini electrice pozitive, deoarece va avea un surplus de protoni în nucleele atomilor.
• Corpul care primește electroni, se va încărca cu sarcini electrice negative, deoarece va avea un surplus de electoni în învelișurile electronice ale atomilor .

Interacțiunile electrostatice sunt de două feluri :
1. Atracția are loc între două corpuri electrizate cu sarcini opuse (pozitivă cu negativă). Forțele de atracție sunt egale în modul, dar de sens opus.

2. Respingerea are loc între două corpuri electrizate cu sarcini de același fel (pozitivă cu pozitivă sau negativă cu negativă). Forțele de respingere sunt egale în modul, dar de sens opus.

Interacțiunile dintre două corpuri electrizate au loc de la distanță prin intermediul câmpului electrostatic din jurul oricărui corp electrizat.

🔓 Probleme rezolvate

1. La frecarea unei rigle de plastic cu o lavetă de bumbac are loc un transfer de 10¹² electroni. Cât este sarcina electrică a celor două corpuri electrizate prin frecare?

Rezolvare:

Inițial ambele corpuri sunt neutre având sarcinile electrice:
Q₁ = Q₂ = 0

După frecarea celor două corpuri ele se electrizează astfel:

Rigla de plastic primește un număr n = -10¹²ē, încărcându-se electric negativ cu sarcina:
Q₁'= n ∙ (-e) = 10¹² ∙ (-1,6) ∙ 10^-19 C = -1,6 ∙ 10^-7 C

Laveta de bumbac cedează plasticului un număr n = -10¹²ē, rămânând cu un surplus de protoni de 10¹²p⁺ și se încarcă electric pozitiv cu sarcina electrică:
Q₂'= n ∙ e = 10¹² ∙ 1,6 ∙ 10^-19 C= +1,6 ∙ 10^-7 C

Verificăm Legea conservării sarcinii electrice:
Inițial: sarcina totală este: Q = Q₁ + Q₂ = 0
Final: sarcina totală este: Q' = Q₁'+ Q₂' = -1,6 ∙ 10^-7 C + 1,6 ∙ 10^-7 C = 0

2. Un corp electrizat cu sarcina Q₁ = -80 ∙ 10^-9 C este pus în contact cu un corp neutru.
a) Ce surplus de electroni are corpul electrizat?
b) Cu ce sarcină s-a încărcat corpul neutru știind că în urma contactului cu corpul deja electrizat s-au transferat pe el un număr n_t = 10⁷ē ?

Rezolvare:

a)
Q₁ = -80 ∙ 10^-9 C = n ∙ (-e)

b)

Q₂'= -80 ∙ 10^-9 C = n_t ∙ (-e) = 10⁷ ∙ (-1,6)∙ 10^-19 C = -1,6 ∙ 10^-12 C

Verificăm Legea conservării sarcinii electrice:

Inițial: sarcina totală a sistemului format din cele două corpuri este:
Q = Q₁ + Q₂ = -80 ∙ 10^-9 C + 0 C = -80 ∙ 10^-9 C

Final (după contact): sarcina totală a sistemului este:
Q' = Q₁'+ Q₂' = -1,6 ∙ 10^-7 C + 1,6 ∙ 10^-7 C = 0
Q₁' = (n - n_t ) ∙ (-e) = (50 ∙ 10¹⁰ - 10⁷) ∙ (-e)
Q₂'= n_t ∙ (-e) = 10⁷ ∙ (-e)
Q' = 50 ∙ 10¹⁰ ∙(-e) + 10⁷ ∙ e + 10⁷ ∙ (-e) = 50 ∙ 10¹⁰ ∙ (-1,6) ∙ 10^-19 C
Q' = -80 ∙ 10^-9 C