Electricitatea statica

Conservarea sarcinii electrice

Am fi putut sa numim sarcinile electrice, in continuare, rosii si albastre, si sa invatam reguli speciale de adunare a lor. Nu era obligatoriu sa le acordam semne algebrice (pozitive si negative). Utilizarea algebrei sarcinilor prezinta, insa, un avantaj esential pe care il vom descoperi acum. Am definit, cu algebra sarcinilor, o marime, numita sarcina neta sau sarcina totala. 5 coulombi de sarcina pozitiva si 3 coulombi de sarcina negativa au impreuna o sarcina neta de 2 coulombi, pe cind 3 coulombi de sarcina pozitiva si 5 coulombi de sarcina negativa au o sarcina neta de -2 coulombi. Fizicienii au descoperit ca sarcina neta a unui sistem izolat (in care nu intra si din care nu iese sarcina) ramine constanta. Spunem ca sarcina electrica a sistemului se conserva. Despre sarcina totala a Universului se crede astazi ca este zero.

Sarcina electrica nu poate fi nici creata si nici distrusa, ea se conserva intodeauna. Conservarea sarcinii electrice este una dintre legile fundamentale ale fizicii, asa cum sunt si conservarea imppulsului si conservarea energiei. Mai mult, conservarea sarcinii este una locala. Aceasta inseamna ca, daca delimitam arbitrar o "cutie", sarcina electrica nu se conserva numai global, pe toata cutia, ci se conserva in orice regiune a sa, oricit de mica. Daca sarcina dintr-o regiune a crescut, inseamna neaparat ca sarcina suplimentara a traversat frontiera regiunii, venind din afara ei. Lucrurile sunt la fel de simple ca bilantul unui cont de banca: crestera soldului, definita ca soldul final minus soldul initial, este egala cu diferenta dintre depuneri (intrari) si retrager (iesiri). Alegind orice "cutie" si orice interval de timp, conservarea sarcinii spune ca

Sarcina electrica nu poate sa dispara instantaneu intr-un loc si sa apara, in acelasi moment, in altul. Ea se poate, doar, deplasa continuu dintr-un loc intr-altul.

Cu legea conservarii sarcinii, avem acum o intelegere mai adinca a ceea ce s-a intimplat in experimentele pe care le-am efectuat. Sa revedem cum se electrizeaza, prin frecare, doua corpuri initial neutre.

Sarcina totala initiala a sistemului bagheta-stofa este zero si schimbul de sarcina cu exteriorul este extrem de mic. Prin frecare, bagheta acumuleaza rapid sarcina negativa, sa o numim -Q₁. Pentru ca sarcina totala sa ramina zero, este obligatoriu ca pe bucata de stofa sa apara sarcina +Q₁, pozitiva. Observam, apoi, ca sarcina bucatii de stofa scade in timp. Aceasta nu se poate intimpla decit daca exista o curgere de sarcina de pe stofa pe corpurile cu care vine in contact (in special prin mina experimentatorului). Daca am fi observat un timp indelungat bagheta, am fi observat ca sarcina ei se modifica foarte lent, de la -Q₁ cit devenise dupa frecare, la zero. Conservarea sarcinii ne spune ca aceasta nu se poate intimpla decit daca pe bagheta soseste sarcina Q₁.

Tot legea conservarii sarcinii electrice ne explica ce se intimpla in experimentul de separare a sarcinilor prin inductie:

Sarcina totala de pe cele doua bare metalice puse in contact se conserva deoarece sunt asezate pe suporti izolatori si nu sunt atinse de catre experimentator. Initial, sarcina este zero si, deci, asa va ramine pina la terminarea experimentului. Apropierea unui corp incarcat de capatul din dreapta al sistemului de bare nu poate modifica sarcina totala dar poate modifica sarcina fiecarei bare, deoarece barele nu sunt izolate intre ele. Astfel, pe fiecare dintre bare apare sarcina neta, dar suma acestor sarcini trebuie sa fie, obligatoriu zero. Rezulta ca barele se incarca cu sarcini de semne opuse intre ele, egale in valoare absoluta. Cind sistemul de bare este dezasamblat prin despartirea barelor, fiecare bara este acum izolata de restul lumii si, acum, conservarea sarcinii se aplica si pentru fiecare bara in parte. Astfel, barele ramin incarcate cu sarcina neta. Cind barele sunt puse impreuna, intre ele apare un schimb de sarcina, sarcina totala a sistemului raminind in continuare zero. Distributia de sarcina fiind acum uniforma, ansamblul de bare apare neutru.

Legea conservarii sarcinii electrice ne spune ce s-ar intimpla in experiment daca cele doua bare nu ar fi identice. Barele s-ar incarca tot cu sarcini egale intre ele in valoare absoluta, cu semne opuse intre ele. Numai cu legea conservarii sarcinii nu putem prezice daca aceste sarcini vor fi mai mari sau mai mici decit cele din situatia cu bare identice.