Descoperă Secretul Sarcinii Electrice din Baza Norului: Ce Se Ascunde Acolo?

Sarcina este un termen tehnic utilizat pentru a indica faptul că există forţe electrice ce se exercită asupra unui obiect. Spunem acest lucru pentru a se face distincția de utilizarea comună, în care termenul este folosit fără discriminare pentru orice problemă de ordin electric.

Două tipuri de sarcină

Două tipuri de sarcină: pot exista în cantități diferite, iar unitatea de măsură este coulombul (C). Un coulomb reprezintă cantitatea de sarcină electrică care face ca o forță de 9,0×10^9 N să fie exercitată între două corpuri punctiforme cu sarcina de 1 C, aflate la distanţa de 1 m. Cantitatea de sarcină se notează cu q. Modelul din experimentele cu frecări arată că nu există niciun model „C”; orice obiect electrificat prin orice metodă se va comporta ca modelul A, atrăgând obiecte pe care A le atrage şi respingându-le pe acelea pe care A le respinge sau se comportă ca modelul B, arătând aceleaşi forţe de atracţie şi respingere ca şi B. Modelele A şi B sunt întotdeauna caracterizate de interacţiuni opuse.

Coulombul

Legea lui Coulomb spune că forţa care acţionează între obiectele punctiforme încărcate electric la distanţa r este dată de o ecuaţie cu constanta k = 9,0×10^9 N·m^2/C^2. Forţa este de atracţie dacă sarcinile au semne diferite şi de respingere dacă au acelaşi semn.

Conservarea sarcinii

Experimentele arată că folosind semnele “+” şi “-“, cantitatea totală de sarcină se conservă. Atunci când frecăm două obiecte neîncărcate, unul obține o anumită cantitate al unui tip de sarcină, iar celălalt o cantitate egală al celuilalt tip. Conservarea sarcinii pare firească în modelul nostru în care materia este formată din particule pozitive şi negative.

Forţe electrice care implică obiecte neutre din punct de vedere electric

Un obiect încărcat electric poate atrage obiecte neîncărcate. Într-un exemplu, banda încărcată pozitiv poate induce separarea sarcinilor în foi de hârtie, făcând ca un capăt să devină negativ şi altul pozitiv, ceea ce explică atracţia faţă de obiectele încărcate.

Modelul atomului: hidrogen şi heliu

Protonul are sarcina electrică +e, masa 1, masa nucleului; electronul are sarcina -e, masa 1/1836, orbitează nucleul. Neutronul are sarcină 0, masă aproximativ egală cu masa protonului. Simbolul "e" este abs. pentru 1,60×10^-19 C. Atomul este neutru electric dacă numărul de electroni este egal cu numărul de protoni.

În 1905-1932, modelele atomice au evoluat: Rutherford a arătat existenţa nucleului pozitiv în centru, înconjurat de un nor de electroni; Chadwick a descoperit neutronul. De atunci, s-a înţeles că există peste protoni, neutroni și electroni, iar distribuţia sarcinilor explică neutralitatea generală a atomului.

Tipuri de sarcini la nivel practic

Există sarcini pozitive (+) şi negative (-). Electronii au sarcina -1, protonii +1; sarcini de fracţie apar în quarci (-1/3, +2/3). Particulele cu sarcină de acelaşi semn se resping; cele cu semne opuse se atrag. Sarcina totală a unui obiect este suma sarcinilor componentelor sale; adesea este neutru sau poate fi electritate statică dacă netul nu este zero sau dacă distribuţia este neuniformă (polarizare).

Simţul conservării şi distribuţia sarcinilor

Sarcina este conservată; nu poate fi creată sau distrusă, ci transferată între obiecte. Într-un sistem închis, sarcina netă rămâne constantă.

Tipuri de încărcări în circuite

Sarcinile inductive produc întârziere între curent și tensiune; sarcinile rezistive funcționează prin rezistenţă pură; sarcinile capacitive au curent mai mare decât tensiunea și se folosesc pentru compensarea factorului de putere, filtrare și stabilizare a tensiunii. Calculul capacităţii de încărcare se poate realiza din curentul și tensiunea unei aparaturi, folosind cos φ.

Importanţa sarcinilor electrice

În locuinţe, sarcina ajută la înţelegerea utilizării energiei: identificarea electrocasnicelor cu consum mare, reducerea suprasarcinilor pe circuite, optimizarea distribuţiei sarcinilor pentru a scădea costurile şi a prelungi durata de viaţă a echipamentelor. O aranjare raţională a sarcinilor poate reduce fluctuaţiile de curent și tensiune, îmbunătățind calitatea energiei.

Impactul sarcinilor electrice asupra sistemelor energetice solare

Pentru utilizarea energiei solare, este necesar să se determine sarcina totală a locuinţei pentru a dimensiona corect sistemul de panouri solare şi invertorul. În general, sarcina este cuantificată ca multiplu al sarcinii elementare e; aceasta nu poate fi creată sau distrusă, doar transferată.

O privire istorică

Freent, Thomson a demonstrat raportul sarcină-masă al particulei, iar Rutherford a arătat nucleul atomic. Modelul „cozonac cu stafide” a fost înlocuit de modelul nucleului pozitiv în centru înconjurat de un nor de electroni. Neutronul a fost descoperit în 1932 de James Chadwick. Totul a condus la înţelegerea actuală a structurii atomice, în care sarcina electrică este o proprietate a particulelor ce formează materia.

Încheiere despre această bază a norului

O sarcină electrică este o proprietate a particulelor subatomice, demonstrată de interacţiunea dintre electroni, protoni şi alte particule. În ciuda evoluţiei modelelor atomice, principiul de conservare a sarcinii rămâne fundamental pentru înţelegerea interacţiunilor electromagnetice şi a comportamentului materialelor în câmpuri electrice.