Electricitatea statica

Separarea si reunirea sarcinilor electrice. Inductia electrostatica

Prima metoda de electrizare descoperita a fost frecarea intre ele a doua corpuri. Chihlimbarul era electrizat prin frecare cu o blana de animal, sticla era electrizata prin frecare cu o tesatura de matase, o sfera de sulf era electrizata prin frecare cu mina. Ce se intimpla insa cu celalalt corp? Se electrizeaza si el? Si, daca electrizeaza, cu ce tip de sarcina? In experimentul urmator, sniffer-ul ne dezvaluie un lucru esential. Priviti filmul pe care l-am realizat.

Cu orice materiale am incerca, rezultatul ar fi acelasi: cind un corp este electrizat, prin frecare de alt corp, cu sarcina de un anumit tip, al doilea corp se incarca intodeauna cu sarcina de tipul celalalt. Altfel spus, prin frecare nu putem sa incarcam un corp cu sarcina "rosie" fara sa il incarcam pe celalalt cu sarcina "albastra" si nu putem sa incarcam un corp cu sarcina "albastra" fara sa il incarcam pe celalalt cu sarcina "rosie". Cele doua tipuri diferite de incarcari electrice apar simultan.

Exemplul tesaturii de lina din experimentul nostru ne explica de ce incarcarea celui de-al doilea corp ramine, de cele mai multe ori, neobservata. Daca nu este un izolator foarte bun si nu se iau precautii speciale, al doilea corp isi pierde rapid sarcina, care se scurge spre Pamint prin corpul experimentatorului. Asa se intimpla in cazul sferei de sulf frecate cu mina, asa s-a intimplat in experimentele noastre cu benzi de teflon sau acetat: sarcina aparuta pe mina experimentatorului se scurgea imediat la Pamint si corpul experimentatorului raminea neutru.

Cele doua tipuri de sarcina apar simultan in urma frecarii. Exista vreo legatura intre marimile acestora? Ca sa decidem acest lucru ar trebui sa le comparam; si cel mai simplu mod de comparare este sa le punem, din nou, impreuna. Cu sarcinile aparute pe izolatoare prin frecare e mai dificil, datorita formelor obiectelor frecate. Din fericire, frecarea nu este neaparat necesara pentru ca doua corpuri initial neutre sa se incarce electric. Esentiala este o interactiune "viguroase" intre suprafetele lor aduse in contact. In experimentul urmator, doua baghete din materiale diferite sunt doar ciocnite intre ele.

Am vazut, inca o data, ca cele doua corpuri se incarca simultan cu sarcini de tipuri diferite.

La dezlipirea unei bucati de banda adeziva de pe rola, atit bucata desprinsa cit si rola ramasa se incarca electric. Cum banda este un izolator extrem de bun, sarcinile sunt bine "legate" si nu exista riscul ca acestea sa scurga la Pamint prin mina experimentatorului. Banda fiind flexibila, avem posibilitatea sa punem din nou sarcinile impreuna, reunind bucata desprinsa cu rola. Priviti filmul experimentului efectuat de noi!

Experimentul anterior ne arata ca daca punem impreuna sarcinile "rosii" si sarcinile "albastre" aparute la desprinderea bucatii de banda adeziva, corpul redevine neutru, ca si cum sarcinile s-ar fi distrus (anihilat) reciproc. Dar s-au distrus ele cu adevarat? Usurinta cu care sarcinile re-apar daca desprindem din nou bucata de banda de pe rola ne face sa ne indoim de acest lucru. Poate sarcinile nu s-au anihilat unele pe altele, poate au ramas acolo si au devenit "invizibile" pentru sniffer.

Urmatorul experiment pe care il facem ne arata ca acest lucru este posibil. Incarcam, prin frecare, o teava de sticla cu sarcina "rosie" si o bila de cauciuc cu sarcina "albastra". Suspendam bila de un fir izolator lung, exact deasupra tevii de sticla, fara sa o atinga. Aducem sniffer-ul in apropiere. Din citeva incercari, reusim sa electrizam eprubeta atit cit trebuie pentru ca sniffer-ul sa aiba o indicatie nula, ca si cum corpurile ar fi neutre. Apoi facem bila sa oscileze, apropiindu-se si departindu-se de sniffer. Stim ca efectul unei sarcini asupra sniffer-ului este cu atit mai mare cu cit sarcina este mai apropiata de senzorul sau. De data aceasta, avem in fata sniffer-ului ambele tipuri de sarcina. Sa vedem ce se intimpla!

Constatam ca atunci cind bila este mai apropiata de sniffer in comparatie cu teava de sticla, sniffer-ul sesizeaza sarcina "albastra" iar cind teava de sticla ramine mai apropiata de sniffer, acesta sesizeaza o sarcina "rosie". Exista o competitie intre efectele celor doua tipuri de sarcina iar cind sarcinile sunt la distante egale fata de sniffer, scorul este egal: indicatia sniffer-ului este nula. Este clar ca cele doua tipuri de sarcina nu se distrug reciproc ci doar efectele lor se compenseaza, se anuleaza intre ele.

Am spus pina acum, despre cele doua tipuri de sarcina, ca sunt diferite. De aceea le-am si numit, simplu, rosii si albastre, pentru a arata doar ca sunt diferite intre ele. Acum am aflat ca efectele lor nu sunt numai diferite, ele sunt opus si se pot, astfel, compensa. Cind ambele tipuri sunt prezente, efectele lor intra in competitie si cel mai puternic invinge. Vom spune, de acum inainte, ca cele doua tipuri de sarcina sunt opuse.

La electrizarea prin frecare (sau alt tip de contact viguros intre suprafetele corpurilor), cele doua corpuri se incarca intodeauna cu sarcini de tipuri opuse. Marimile acestor sarcini sunt astfel incit ele se pot compensa perfect. Sunt aceste sarcini produse in procesul de electrizare? Privind inca o data la experimentul in care alipeam bucata de banda adeziva pe rola de pe care fusese desprinsa, ne putem intreba: dar daca sarcinile de tipuri opuse existau pe aceste corpuri neutre, in cantitati egale, astfel incit efectele lor se echilibrau si, astfel, nu puteau fi puse in evidenta? Prin electrizare o parte din sarcini sunt separate, pe un corp raminind prea multa sarcina rosie iar, pe celalalt, prea multa sarcina albastra. Reunirea corpurilor restabileste echilibrul si corpul redevine neutru.

Dar exista intr-adevar pe corpurile neutre un amestec echilibrat de sarcini de tipuri opuse? Sa luam o bara de metal, neutra, asezata pe suporturi izolatoare. Sa asezam linga ea, la un capat, perpendicular pe ea, sniffer-ul. Bara fiind neutra, indicatia sniffer-ului va fi nula. Apoi apropiem de celalalt capat al barei, un corp incarcat, sa zicem cu sarcina rosie. Fiind departe si asezat in lateral, corpul incarcat nu va produce singur nici un efect asupra sniffer-ului.

Daca in bara exista un amestec de sarcini, acestea vor simti influenta corpului incarcat: sarcina albastra va fi atrasa de corp iar sarcina rosie va fi respinsa spre capatul unde este asezat sniffer-ul. Metalele sunt conductoare, sarcinile se pot deplasa in bara, asa ca vom avea un surplus de sarcina rosie la capatul cu sniffer-ul si un surplus de sarcina albastra la celalalt. Aceasta s-ar intimpla daca in bara neutra ar fi existat un amestec echilibrat de sarcini din cele doua tipuri. Sa vedem ce ne arata experimentul.

Se pare ca am avut dreptate. Apropierea corpului electrizat produce o separare partiala a sarcinilor in bara, capetele barei aparind incarcate cu sarcini de tipuri opuse. Indepartind corpul electrizat, separarea sarcinilor de pe bara inceteaza si ele se redistribuie astfel incit se compenseaza total in orice regiune a barei. Separarea sarcinilor de pe bara conductoare a avut loc fara sa fie nevoie ca alt corp sa intre in contact cu ea. Redistribuirea sarcinilor electrice dintr-un material, sub influenta unui corp apropiat incarcat, a fost numita de fizicieni inductie electrostatica. Un corp incarcat cu un anumit tip de sarcina, adus in apropierea unui corp neutru, induce pe acesta, in partea apropiata lui, o sarcina de tip opus. O sarcina egala, de acelasi tip cu sarcina ce produce inductia, apare in restul corpului ce era neutru.

Putem sa mergem cu experimentul anterior inca si mai departe. Dupa ce apropierea corpului electrizat a produs separarea sarcinilor care erau in conductor, astfel incit o parte a sa este incarcata cu sarcina rosie iar cealalta cu sarcina albastra, separam cele doua parti ale sale (pastrind in orice moment izolarea electrica a acestuia). Putem realiza acest lucru usor daca am pornit de la inceput cu un conductor alcatuit din doua bare mai scurte puse in contact.

Experimentul pe care l-ati vazut este un argument puternic pentru sustinerea ideii ca toate corpurile neutre contin, in cantitati egale, sarcini rosii si sarcini albastre. Dupa separarea ce are loc sub influenta sarcinii externe si intreruperea contactului dintre bare, sarcinile de pe cele doua jumatati ale conductorului nu mai au pe unde sa treaca ca sa se reuneasca atunci cind sarcina externa este indepartata. Dupa restabilirea contactului intre bare, sarcinile se reunesc si conductorul redevine neutru.

Fenomenele pe care le-am studiat pina acum se bazeaza pe separarea si reunirea acestor sarcini. Corpurile incarcate electric contin mai multa sarcina de un tip decit sarcina de tipul opus. Cind sarcina de un tip este la fel de mare ca sarcina de tipul opus, corpurile sunt neutre.