Noțiuni despre electronică și electrotehnică

Electrotehnica este una din ramurile importante ale ştiinţelor tehnice care se ocupă cu studiul fenomenelor electrice şi magnetice în vederea aplicaţiilor practice. Astfel, rolul electrotehnicii este deosebit de important în:

- tehnica producerii, distribuţiei şi utilizării energiei electrice;

- tehnica transmiterii semnalelor electromagnetice;

- tehnica de calcul.

În strânsă legătură cu electrotehnica este electronica, care este de fapt o ramură a electrotehnicii, în care se studiază:

• aplicaţiile tehnice ale fenomenelor electromagnetice care pun în evidenţă microstructura sistemelor fizice în care curentul electric se stabileşte în special în vid, în gaze şi în semiconductoare;

• dispozitivele şi aparatele bazate pe aceste fenomene.

Cunoştinţele despre fenomenele electrice şi magnetice sau cristalizat de-a lungul timpului în teorii macroscopice sau microscopice, clasice sau cuantice, relativiste sau nerelativiste. Deoarece în majoritatea aplicaţiilor în tehnică intervin viteze mici în raport cu viteza luminii în vid şi fiindcă prezentarea fenomenologică este indispensabilă, teoria câmpului electromagnetic (electromagnetismul) ce face obiectul primei părţi a cursului este o teorie macroscopică, clasică şi nerelativistă. Capitolele principale ale electromag-netismului, structurate în forma clasică sunt: electrostatica, electrocinetica, magneto-statica şi electrodinamica.

În partea a doua a cursului – circuite electrice – sunt studiate o parte dintre circuitele electrice întâlnite frecvent în practică cum sunt: circuite electrice de curent continuu, circuite monofazate şi circuite trifazate în regim permanent sinusoidal.

În final se face o scurtă introducere în electronică, studiindu-se dispozitivele semiconductoare, aplicaţiile acestora, circuitele electronice utilizate cel mai des în construcţia aparatelor şi echipamentelor electronice.

Cursul se adresează îndeosebi studenţilor de la facultăţile de profil neelectric şi are ca obiectiv asigurarea cunoştinţele generale de electrotehnică şi electronică cu un impact larg în concepţia şi funcţionarea instalaţiilor şi echipamentelor utilizate în diverse domenii de activitate.

Scurt istoric asupra cunoştinţelor de electromagnetism

Cunoştinţele despre fenomenele electrice şi magnetice datează încă din antichitate, însă prima lucrare ştiinţifică asupra acestor fenomene, numită „De magnete”, a fost publicată în 1600 de către medicul englez W. Gilbert, care constată analogia între magnetismul terestru şi cel al unor substanţe magnetizate conţinute de unele minereuri (de exemplu, magnetita).

- 1 -

Tot Gilbert introduce noţiunea de electrizare ca explicaţie a fenomenului remarcat încă din antichitate de către Thales din Milet (sec. VII î.e.n.) cu privire la proprietatea chihlim-barului de a atrage unele obiecte uşoare după ce a fost frecat cu o stofă de lână. La acea dată însă nu se întrevedea legătura între fenomenele electrice şi magnetice.

Relaţiile cantitative care caracterizează forţele dintre corpurile încărcate electric, elaborate prin experienţele lui Charles A. Coulomb şi prin analogie cele dintre polii magneţilor, descoperirile lui L. Galvani, A. Voltă, T. J. Seebeck etc., experienţele lui H.C. Oerstedt, J. B. Biot, F. Savart, A. M. Ampère etc., au fost interpretate în cadrul teoriei la distanţă. Conform acestei teorii, corpurile exercită acţiuni ponderomotoare (electrice şi magnetice) asupra altor corpuri, acţiuni care se transmit instantaneu, cu viteză infinită şi care, la fel ca forţele gravitaţionale, satisfac principiul newtonian al acţiunii şi reacţiunii.

Descoperirea fenomenului inducţiei electromagnetice de către M. Faraday, experien-ţele lui H. Hertz, W. Webber, P. N. Lebedev etc., au arătat că modelul newtonian al interacţiunilor electrice şi magnetice nu este satisfăcător. Deoarece nici o acţiune fizică nu este instantanee, acţiunile pondermotoare fiind localizate în spaţiu şi întârziate, necesită timp pentru a se propaga şi ca urmare se transmit din aproape în aproape, cu viteză finită. Astfel, teoria acţiunii la distanţă a fost înlocuită cu teoria acţiunii din aproape în aproape sau prin contiguitate.

Conceptele şi principiile de bază ale teoriei de câmp a fenomenelor electrice şi magnetice au fost stabilite printr-o lucrare de importanţă crucială, „A Treatise on Electricity and Magnetism” elaborată în 1873 de J. C. Maxwell pornind de la conceptele de linie de forţă şi tub de flux introduse de M. Faraday. În cadrul acestei teorii, purtătorul acţiunilor ponderomotoare electrice şi magnetice este câmpul electromagnetic care le transmite în spaţiu şi timp cu viteză foarte mare, dar finită. În această fază, teoria fenomenelor electrice şi magnetice iniţiată de Faraday şi desăvârşită de Maxwell pentru medii imobile şi de Hertz pentru medii în mişcare lentă, este o teorie fenomenologică şi macroscopică; caracterul fenomenologic rezultă din modul în care sunt introduse speciile de mărimi şi se enunţă legile teoriei, nefiind necesare ipoteze care să postuleze imposibilitatea verificării lor prin experienţă; caracterul macroscopic ia în considerare modelul continuu al substanţei, fără preocupare la scară atomică a sistemelor fizice şi a stărilor acestora.

Deşi a reuşit să explice numeroase fenomene electromagnetice, teoria macroscopică şi fenomenologică a lui Maxwell şi Hertz nu putea explica o serie de legi sau fenomene cum sunt: legea electrolizei, legile combinaţiilor chimice, teoria cinetico-moleculară, legile de material şi unele experienţe de optică şi electrodinamică a corpurilor în mişcare (experienţele lui Röntgen, Wilson, Fizeau, etc). Luând în considerare structura discontinuă a substanţei, dar păstrând repartiţia continuă a câmpului electromagnetic, H. A. Lorentz a elaborat teoria microscopică clasică a fenomenelor electromagnetice, numită şi teoria electronilor. Extrapolând la scară atomică legile teoriei lui Maxwell şi considerând sarcina electrică proprietate a particulelor elementare denumite generic electroni, teoria lui Maxwell-Lorentz a explicat o mare parte din proprietăţile de material printre care polarizaţiile electrică şi magnetică. Elaborarea de către A Einstein a teoriei relativităţii restrânse (“Asupra electrodinamicii corpurilor în mişcare”, 1905) a permis lui H. Mincowschi reformularea adecvată relativităţii restrânse a teoriei lui Maxwell şi Lorentz; s-a constituit în acest fel teoria relativistă a fenomenelor electromagnetice, numită şi electrodinamica relativistă.

Experienţe de mare fineţe arată că dacă energia şi impulsul schimbate între particule sunt foarte mici, nici conceptele şi nici legile electrodinamicii relativiste nu sunt potrivite. A fost necesar să se ia în considerare pe lângă structura discontinuă a substanţei corpurilor şi structura discretă a câmpului electromagnetic. S-a trecut astfel la faza electrodinamicii cuantice.

- 2 -

PARTEA I

ELECTROMAGNETISMUL

Capitolul 1

ELECTROSTATICA

1.1. CÂMPUL ELECTRIC ÎN VID

1.1.1. Câmpul electromagnetic. Câmpul electric.

Regimurile câmpului electromagnetic.

Câmpul electromagnetic este o formă aparte de existenţă a materiei, caracterizat prin aceea că exercită acţiuni ponderomotoare (forţe şi momente) asupra corpurilor situate în câmp. Ca orice formă a de existenţă a materiei, câmpul electromagnetic posedă energie.

Drumul cunoaşterii de la primele constatări empirice disparate, până la concepţia actuală asupra câmpului electromagnetic ca formă a materiei, până la cunoaşterea legilor care guvernează fenomenele electromagnetice şi aplicarea lor în practică, a fost un proces îndelungat, care a necesitat strângerea unui imens material faptic şi o dezvoltare a teoriei nu lipsită de stagnări şi de salturi.

Teoria macroscopică a câmpului electromagnetic, care reprezintă baza teoretică a electrotehnicii, a fost elaborată în liniile ei principale, valabilă şi în prezent, în lucrările lui James Clerk Maxwell (1831-1879) şi ale lui Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894). Conform acestei teorii, interacţiunile electromagnetice se transmit din aproape în aproape în spaţiu şi timp (prin contiguitate) prin intermediul câmpului electromagnetic care se propagă în spaţiu cu viteză finită (viteza luminii în vid).

Câmpul electromagnetic are două aspecte particulare: câmpul electric şi câmpul magnetic. Cele două câmpuri formează un ansamblu indisolubil, separarea lor având un caracter relativ, pur teoretic, dând posibilitatea studierii lor separate.

Câmpul electric este deci unul din cele două aspecte ale câmpului electro-magnetic care se manifestă prin forţe mecanice ce acţionează asupra unui corp încărcat electric, imobil, introdus în câmp.