II.1. Electrizarea și sarcina electrică

În general corpurile din natură sunt neutre din punct de vedere electric, deoarece ele sunt formate din atomi, care la rândul lor, sunt neutri.

🔦 Observație

Structura atomului:

1. Nucleul este partea centrală a atomului, alcătuit din particule numite nucleoni, și-anume:

• Protoni, particule încărcate cu sarcină pozitivă, cu simbolul p⁺¹.

• Neutroni, particule neutre din punct de vedere electric, cu simbolul n⁰.

2. Învelișul electronic este spațiul din jurul nucleului format dintr-un nor de particule numite electroni care gravitează în jurul nucleului. Electronii sunt particule cu sarcină negativă, cu simbolul e^-1 sau ē.

Atomul este o particulă neutră din punct de vedere electric, deoarece are numărul de protoni din nucleu (particule pozitive) egal cu numărul de electroni din învelișul electronic (particule negative), adică

Clasificarea materialelor din punct de vedere electric:

a) Conductoare electrice sunt materiale care permit curgerea electricității de la un atom la altul (a electronilor aflați pe straturile mai depărtate de nucleu, numiți electroni liberi).

Exemple:

• toate metalele;
• grafitul;
• corpul omenesc;
• pământul etc.

b) Izolatoare electrice sunt materiale care nu permit curgerea electricității de la un atom la altul (nu au electroni liberi).

Exemple:

• ebonita (materialul din care se confecționează soclurile prizelor, întrerupătoarelor, aparatelor electrice);

• plasticul;

• cauciucul;

• sticla;

• porțelanul;

• apa pură;

• aerul uscat etc.

🔦 Observație

Pentru o bună reușită a experimentelor de electrizare trebuie respectate anumite condiții:

• Corpurile să fie curate (eventual degresate cu spirt), bine uscate, de preferat și rotunjite.

• Încăperea unde se efectuează să fie încălzită și fără umiditate.

• Nu încercați aceste experimente când plouă afară și este multă umiditate în aerul atmosferic.

👀 Experiment: Atracția corpurilor electrizate

Materiale necesare:
Baghetă de plastic, bucată de lână, bucățele de hârtie ( sau bobițe de polistiren ), o sticluță cu apă, doză goală de aluminiu, vas cu soluție de detergent de vase, compas.

Descrierea experimentului:

• Pune pe masă o grămăjoară de bobițe de polistiren și apropie de ea bagheta.
• Ce observi ?

  Bagheta nu atrage bucățelele mici.

• Freacă cu bucata de lână un capăt al baghetei, fără să atingi cu mâna porțiunile frecate.
• Ce observi ?

  După frecare, bagheta atrage bobițele.

• Apropie un corp electrizat de o doză de aluminiu.
• Ce observi ?

  Corpul electrizat atrage doza.

• Pune soluția de detergent de vase într-un vas.
• Suflă cu un pai ca să formezi un balon de săpun.
• Apropie un corp electrizat de balonul de săpun.
• Ce observi ?

  Corpul electrizat atrage balonul de săpun.

• Cu ajutorul unui compas fă un orificiu mic în fundul sticlei cu apă.
• Scoate dopul sticlei ca să obții un jet subțire de apă.
• Apropie un corp electrizat de jetul de apă.
• Ce observi ?

  Corpul electrizat atrage jetul de apă.

Concluzia experimentului:
Corpurile electrizate au proprietatea de a atrage corpuri ușoare (bucățele de hârtie, bobițe de polistiren, doze de aluminiu, baloane de săpun, jet subțire de apă, firele de păr etc).

🔦 Observație

Nu uitați că orice interacțiune are loc prin forțe reciproce. Corpul electrizat atrage cu o forță corpul neutru, dar și corpul neutru atrage cu aceeași forță corpul electrizat, dar în sens opus.

Prin frecarea a două corpuri, acestea se electrizează și se încarcă cu sarcini electrice.

🔦 Observație

Se consideră sarcina electrică pozitivă ( + ), sarcina cu care se încarcă un corp de sticlă.

Se consideră sarcina electrică negativă ( - ), sarcina cu care se încarcă un corp de plastic (sau de ebonită).

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

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

Sarcina unui corp (q/Q) este un multiplu întreg al sarcinii electrice elementare :

unde n = nr.întreg și e = sarcină electrică elementară = 1,6 ∙ 10^-19 C .

🔓 Problemă rezolvată

1. Ce valoare are sarcina învelișului electronic a unui atom de oxigen știind că acesta are Z=8 ? Se dă e = sarcină electrică elementară = 1,6 ∙ 10^-19 C .

Rezolvare:

Știind că Z = nr. p⁺ din nucleu = nr. ē din învelișul electronic, înseamnă că atomul de oxigen are în înveliș 8 electroni. Deci n = 8.

Sarcina învelișului electronic a unui atom de oxigen este negativă, deoarece electronii au sarcină negativă. Ea este egală cu numărul de electroni din înveliș (n=8 electroni) înmulțită cu sarcina unui electron ( -1,6 ∙ 10^-19 C):

Q = - n ∙ e = -8 ∙ 1,6 ∙ 10^-19 C = -12,8 ∙ 10^-19 C.

👀 Experiment: Electrizarea prin frecare

Materiale necesare:
Balon umflat, lavetă, suport.

Descrierea experimentului:

• Suspendă balonul de un suport.
• Freacă cu laveta balonul, fără să atingi cu mâna porțiunile frecate și apoi lasă-l liber.
• Apropie laveta de balonul suspendat.
• Ce observi ?

  Cele două corpuri frecate se atrag.

Concluzia experimentului:
În urma frecării a două corpuri, unul se încarcă cu sarcini pozitive (laveta), celălalt cu sarcini negative (balonul de cauciuc).

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 (mai mulți) protoni în nucleele atomilor.

- Corpul care primește electroni, se va încărca cu sarcini electrice negative, deoarece va avea un surplus de electroni în învelișurile electronice ale atomilor.

👀 Experiment: Interacțiuni electrostatice

Materiale necesare:
Corp de sticlă (borcănel), bucată de mătase, un pai de suc, lână, ață, suport.

Descrierea experimentului:

• Taie paiul în două bucăți.
• Prinde un fir de ață de bucată mică de pai și suspend-o de un suport.
• Freacă cu o mănușă de lână cele două bucățele tăiate din pai, una fiind cea suspendată.
• Apropie paiul electrizat prin frecare de cel suspendat.
• Ce observi ?

  Cele două paie se resping.

Cele două paie se resping deoarece s-au încărcat cu aceleași sarcini electrice, fiind confecționate din material identic.

• Freacă cu bucata de mătase (hârtie) partea rotunjită a unui borcănel, fără să atingi cu mâna porțiunile frecate.
• Apropie borcănelul de paiul suspendat.
• Ce observi ?

  Cele două corpuri se atrag.

Concluzia experimentului:
Sticla s-a încărcat cu sarcini pozitive, iar paiul de plastic cu sarcini negative și de aceea s-au atras.

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 la distanță prin intermediul câmpului electrostatic din jurul oricărui corp electrizat.

👀 Experiment: Confecționarea unui electroscop

Materiale necesare:
Borcan de sticlă curat și uscat, sârmă de cupru, 2 foițe de aluminiu (e la folia de împachetat), capac de carton, foarfece.

Descrierea experimentului:

• Decupează din carton un capac mai mare decât gura borcanului, fă o gaură în capac, astfel încât firul de cupru să treacă prin el.
• Întinde firul astfel încât o parte mai mică să rămână în afara capacului borcanului, deasupra și o mare parte va fi în borcan.
• În partea de jos, îndoaie sârma și pune pe acest cârlig două foițe de aluminiu.
• Freacă un balon de păr sau lână și apropie-l de capătul de sus al sârmei.
• Ce observi ?

  Cele două foițe de aluminiu se depărtează una de cealaltă.

Concluzia experimentului:
Electroscopul este un dispozitiv care detectează corpurile electrizate.
Când electroscopul este neutru, foițele de aluminiu stau una lângă alta.
Când electroscopul este încărcat, foițele se încarcă cu sarcini opuse și de aceea se resping și se îndepărtează.

👀 Experiment: Electrizarea prin contact

Materiale necesare:
Baghetă, bucată de lână, electroscop.

Descrierea experimentului:

• Freacă bagheta de lână.
• Atinge capătul baghetei de sfera electroscopului.
• Ce observi ?

  Foițele electroscopului se resping, adică se încarcă cu sarcini electrice.

Concluzia experimentului:
Sfera electroscopului se va încărca cu același tip de sarcină electrică cu a corpului electrizat prin contact.

Mai putem electriza un corp neutru prin contactul (atingerea) cu un corp deja electrizat.

Electrizarea prin contact are loc prin trecerea electronilor de pe corpul electrizat pe cel neutru, care se va încărca cu același fel de sarcină electrică precum cea a corpului electrizat.

👀 Experiment: Electrizarea prin influență (de la distanță)

Materiale necesare:
Baghetă de sticlă, bucată de mătase (hârtie) , electroscop.

Descrierea experimentului:

• Electrizează prin frecare cu mătase, bagheta de sticlă.
• Apropie, fără să atingi, bagheta de sticlă de sfera electroscopului.
• Ce observi ?

  Foițele electroscopului se resping, arătând că electroscopul s-a încărcat cu sarcini electrice.

Concluzia experimentului:
Sfera electroscopului se va încărca cu sarcină electrică opusă corpului electrizat adus în apropiere. Sfera s-a încărcat pozitiv și plasticul s-a electrizat negativ.

Electrizarea prin influență (de la distanță) are loc prin încărcarea capătului corpului neutru cu sarcină electrică opusă celui electrizat adus în apropierea lui.

🔦 Observație

Explicația electrizării prin influență:

• La apropierea de un conductor (sfera electroscopului) a unui corp încărcat electric (bagheta de plastic) are loc o redistribuire a electronilor liberi din conductor. În cazul apropierii unui corp electrizat negativ, are respingerea electonilor liberi ai sferei conductoare (care se va încărca pozitiv datorită nucleelor atomilor), iar partea de jos a firului metalic cu cele două lamele va fi mai bogată în electroni față de nucleele pozitive și se va încărca negativ.

• La apropierea de un izolator a unui corp încărcat electric (bagheta de sticlă) are loc un fenomen numit polarizare, în care moleculele izolatorului se alungesc și centrele nucleelor nu mai coincid cu centrele învelișurilor electronice. Are loc orientarea moleculelor polare de către corpul electrizat.

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) La electrizarea prin influență (de la distanță): capătul corpului neutru apropiat de un corp electrizat se va încărca cu sarcini electrice opuse celui electrizat. Corpul electrizat prin influență (de la distanță) nu-și modifică sarcina electrică, dar la extremități se încarcă ce sarcini de semne contrare. Are loc o redistribuire a electronilor din corp.

În toate cele trei metode de electrizare se respectă Legea conservării sarcinii electrice: Într-un sistem izolat, sarcina electrică totală se conservă.

🔓 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 = -10¹² ē, 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 = -10¹² ē, rămânând cu un surplus de protoni de 10¹² p⁺ 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 = 10⁷ ē ?

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

3. Un corp încărcat cu sarcina Q₁ = -4,8 ∙ 10^-12 C este pus în contact cu un alt corp electrizat.Știind că în urma contactului dintre cele două corpuri ele s-au neutralizat, află sarcina corpului și câți ē s-au transferat de pe un corp pe celălalt.

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
Q₁ = -4,8 ∙ 10^-12 C
Q₂ = ?
n = ?

Inițial: sarcina totală a sistemului format din cele două corpuri este:
Q = Q₁ + Q₂ = -4,8 ∙ 10^-12 C + Q₂

Final: sarcina totală este:
Q' = Q₁'+ Q₂' = 0 + 0 = 0

Aplicăm Legea conservării sarcinii electrice:
Q = Q'
-4,8 ∙ 10^-12 C + Q₂ = 0
Q₁ = n ∙ (-e)