Câmpul electric în jurul conductorilor

CONDUCTORI SI IZOLATORI

Chiar de la primele experiente din domeniul electricitatii, s-a observat ca substantele difera dupa capacitatea lor de a pastra „acel ceva electric”.Unele materiale pot fi usor electrizate prin frecare si mentinute in aceasta stare;altele, se pare, nu pot fi electrizate pe aceasta cale si daca se electrizeaza nu-si mentin aceasta stare.Experimentatorii de la inceputul secolului XVIII au clasificat substantele in „electrice” si „neelectrice”.In jurul anului 1730, in Anglia, experientele lui Stephen Gray au aratat ca, „acel ceva electric” poate fi transmis de la un corp la altul cu ajutorul unei sfori orizontale, la o distanta de cateva sute de metri daca sfoara este, la randul ei, suspendata cu niste fire de matase.Odata stabilita diferenta dintre conductor si neconductor, electrotehnicienii acelor timpuri au observat ca chiar substantele „neelectrice” pot fi puternic electrizate daca sunt asezate pe sticla sau suspendate de un fir de matase.Un rezultat spectaculos al uneia dintre popularele demonstratii de electricitate din acel timp era probabil electrizarea unui baietel, suspendat de capriori cu ajutorul unor fire de matase:parul i se ridica valvoi, iar din varful nasului se puteau scoate scantei.

Dupa lucrarile lui Gray si ale contemporanilor sai, substantele „neelectrice” si „electrice” s-au denumit izolatori electrici si conductori electrici.Aceasta deosebire intre proprietatile substantelor a ramas pana in zilele noastre una din cele mai uluitoare contraste ale naturii.Conductibilitatea electrica a conductorilor buni obisnuiti, ca de exemplu metalele, depaseste 〖10〗^20de ori.Deosebirea dintre un bun conductor si un bun izolator, din punct de vedere electric, este tot atat de mare ca deosebirea dintre un lichid si un solid, din punct de vedere mecanic.Acest lucru nu este chiar intamplator.Comportarea electrica si cea mecanica a corpului depinde de mobilitatea particulelor atomice:conductibilitatea electrica depinde de mobilitatea purtatorilor de sarcina-electroni sau ioni;iar proprietatile mecanice depind de mobilitatea atomilor sau moleculelor, care determina structura substantei.Unele substante prin scaderea temperaturii cu cateva sute de grade, isi schimba treptat si continuu proprietatile, pe masura trecerii din starea fluida in starea de solid rigid.Conductibilitatea electrica a unor substante variaza, de asemenea, intr-un interval larg, cuprins intre „buni conductori” si „buni izolatori”, in functie de temperatura lor.

Una si aceeasi substanta poate fi solida sau lichida, in functie de timpul si probabil, de distanta considerata.

CONDUCTORI IN CAMPUL ELECTROSTATIC

Vom studia, la inceput, sistemele electrostatice formate din conductori.Ca urmare , ne va interesa starea stationara a sarcinii si campului electric, care se stabileste dupa redistribuirea sarcinilor in conductori.Toti izolatorii pe care ii vom intalni ii vom considera izolatori perfecti.Dupa cum am amintit, chiar si izolatorii cei mai obisnuiti nu sunt prea departe de aceasta idealizare, astfel incat sistemele studiate nu sunt prea artificiale.Exemplul urmator ne poate clarifica asupra tipului de sistem la care ne referim.Luam doua sfere metalice incarcate, izolate una de alta si de alte corpuri.Le fixam relativ aproape una de alta.Care este campul electric rezultat in spatiul dintre sfere si din jurul lor si care este sarcina distribuita pe fiecare dintre sfere?Sa incepem cu o chestiune generala:ce se poate spune despre campul electric din interiorul substantei conductoare, dupa ce purtatorii de sarcina au incetat sa se mai miste?

In starea stationara nu exista purtatori de sarcina in miscare.Din punct de vedere fizic, in afara fortelor electrice, asupra purtatorilor de sarcina mai poate actiona forta gravitationala.Ionul pozitiv are greutate, asupra lui, in campul gravitational, actioneaza o forta;acelasi lucru este valabil si pentru electron,fortele care se exercita asupra lui nu sunt egale.Acest exemplu este destul de absurd.Stim ca la scara atomica fortele gravitationale sunt neglijabile.Exista alte forte, pe care le-am putea numi „chimice”.Intr-o baterie si in multe alte exemple in care au loc reactii chimice, inclusiv celula vie, purtatorii de sarcina se misca, uneori, in sens opus campului electric;in acest fel se consuma mai putina energie decat necesita reactia chimica.

fig .1. Corpul din (a) este un izolator neutru.Sarcinile din interiorul lui, pozitive si negative, nu se misca.In (b) sarcinile eliberate incep sa se miste.Ele se vor misca pana la atingerea starii finale din (c).

Ezitam sa numim aceste forte neelectrice stiind ca structura atomilor si moleculelor si fortele ce se exercita intre ele, pot fi explicate cu ajutorul legii lui Coulomb si a mecanicii cuantice.Totusi, din punct de vedere al teoriei clasice a electricitatii, ele trebuie considerate de alta natura.Ele se si comporta diferit de fortele pe baza carora ne-am fundamentat teoria si care sunt invers proportionale cu patratul distantei.Despre necesitatea luarii in considerare si a fortelor de alta natura, asa numite neelectrice, observam ca fortele ce variaza invers proportional cu distanta nu pot explica structura statica stabila.Rezulta, de fapt, ca in unele cazuri, trebuie sa admitem posibilitatea existentei unor forte neechilibrate, necoulombiene, care actioneaza asupra purtatorilor de sarcina din interiorul substantei conductoare.In aceste cazuri, starea electrostatica se atinge doar prin prezenta unui camp electric finit in conductor care anihileaza influenta altor forte, de orice natura.

Tinand cont de cele spuse, ne intoarcem la cazul, bine cunoscut si important, cand asemenea forte nu exista-cazul unui material conductor omogen si izotrop.Intr-un asemenea conductor, in cazul static, putem afirma cu siguranta ca campul electric este nul.In caz contrar purtatorii de sarcina ar fi trebuit sa se miste.Rezulta ca, toate regiunile din interiorul conductorului inclusiv toate punctele aflate chiar sub suprafata sa, trebuie sa aiba acelasi potential.Se stie ca la trecerea din interiorul conductorului spre exteriorul sau potentialul sufera o variatie brusca.Dar intr-un conductor omogen si izotrop, cel pe care il avem in vedere acum, variatia va fi aceeasi pe toata suprafata conductorului.In exteriorul conductorului campul electric nu este nul.Suprafata conductorului trebuie sa fie o suprafata echipotentiala a acestiu camp.