Electrostatica

Lecție de fizică · sarcina electrică, legea lui Coulomb, câmpul electric. Trei instrumente de laborator; fiecare număr afișat e calculat din aceleași legi care mișcă piesele.

1. Sarcina electrică

Corpurile se pot electriza: capătă sarcină electrică, pozitivă sau negativă. Sarcina se măsoară în coulombi (C), nu apare și nu dispare, doar trece de pe un corp pe altul, și e mereu un multiplu al sarcinii elementare e = 1,6·10⁻¹⁹ C.

Foițele: se resping când au sarcină de același semnSonda: o bilă încărcată pe un braț izolatorSarcină pozitivă: lipsesc electroniSarcină negativă: electroni în plusBilele au raza de 8 mm, iar sonda pornește cu 6 nC. La distanța d între centre, sonda mută pe foițe sarcina q·R/d (sarcina imagine a unei sfere izolate), fără să schimbe sarcina totală a electroscopului. La atingere sarcina se împarte 2 : 1, după capacități. Fiecare foiță, de 16 mg, se oprește unde respingerea electrică echilibrează greutatea ei. Legat la pământ, electroscopul pierde sarcina de pe foițe.

2. Legea lui Coulomb

Două sarcini punctiforme se atrag sau se resping cu o forță proporțională cu produsul lor și invers proporțională cu pătratul distanței: F = k·q₁·q₂ / r², cu k = 8,99·10⁹ N·m²/C² în vid.

Brațul cu sfera mobilă q₂ și indicatorul de pe inelul gradatSfera fixă q₁, pe sania cu riglăSarcină pozitivăSarcină negativăBrațul de 64 mm atârnă de un fir cu constanta de torsiune 7·10⁻⁶ N·m/rad și se oprește unde momentul forței electrice e egal cu cel al firului răsucit. r este distanța dintre centrele sferelor, măsurată după ce brațul s-a rotit, iar F forța calculată din legea lui Coulomb la acea distanță. Opritoarele țin brațul între −12° și +55°: la atracție puternică sfera mobilă s-ar lipi altfel de cea fixă.

3. Câmpul electric

O sarcină schimbă spațiul din jurul ei: orice altă sarcină pusă acolo simte o forță. Câmpul electric E = F / q₀ spune cât de mare e forța pe fiecare coulomb și încotro împinge.

80 de ace pe pivoți: direcția câmpului în fiecare punctSonda q₀ = +1 nC și vectorul E măsurat de eaSarcină pozitivăSarcină negativăDouă sfere la 108 mm una de alta, q₁ = +5 nC și q₂ la alegere. Câmpul e suma câmpurilor celor două sarcini, E = k·q/r² pentru fiecare; liniile de câmp sunt urmărite pas cu pas de-a lungul lui E, câte 12 pentru 5 nC. Vectorul sondei e desenat la scară, 1,1 mm pentru 1 kV/m, până la 40 kV/m.