Trebuie subliniat faptul că mişcarea ordonată a purtătorilor de sarcină electrică, liberi, din conductor nu este o simplă mişcare rectilinie uniformă, ci reprezintă un fenomen complex, deoarece purtătorii de sarcină din conductor se găsesc într-o continuă mişcare haotică de agitaţie termică, suferind multiple accelerări, frânări şi devieri datorită ciocnirilor dintre ei cât şi datorită ciocnirilor cu ionii reţelei cristaline ce formează conductorul. Din aceste motive, putem vorbi numai de viteză medie a mişcării ordonate a purtătorilor de sarcină în conductor, sub acţiunea câmpului electric, care se numeşte viteză drift sau de antrenare.
Această viteză are o valoare foarte mică: pentru un curent de 10 A printr-un conductor de cupru cu secţiunea de 10 mm2 are valoarea vd = 0,06 mm/s. Totuşi, un curent electric se transmite cu o viteză foarte mare datorită faptului că printr-un conductor se propagă câmpul electric pe toată lungimea conductorului şi acesta antrenează electronii sau ionii pe care îi întâlneşte în cale. Realizarea câmpului electric se face cu ajutorul unei diferenţe de potenţial ΔV = VA − VB.
La bornele unui acumulator cu t.e.m. E = 26 V şi rezistenţa interioară r = 1 se leagă un rezistor cu rezistenţa R. Sarcina electrică sau cantitatea de electricitate este o mărime fizică ce exprimă din punct de vedere macroscopic o proprietate fundamentală a materiei care determină interacţiile prin câmp electromagnetic. Există două tipuri de sarcină electrică, pozitive și negative, determinate de particule subatomice, electronii și protonii. Materia încărcată electric este influențată de câmpul electric, și în același timp produce câmp electric. Interacțiunea dintre o sarcină în mișcare și un câmp electromagnetic este sursa forței electromagnetice, care este una dintre cele patru forțe fundamentale. O „distrugere” a sarcinilor electrice, nu este posibilă; este vorba de „conservarea” sarcinilor (și a energiei asociate lor).
Sarcina electrică este caracteristică unor particule subatomice, și este cuantificată când este exprimată doar ca multiplu al așa-numitei sarcini elementare e, care are valoarea de 1,602 × 10−19 C (coulomb). Există sarcini pozitive și sarcini negative. Cele două feluri de sarcini, (+) și (-) sunt de valoare egală în modul (simetrie valorică). Electronii, prin convenție au sarcina -1, iar protonii au sarcina opusă, +1. Quarkurile au o sarcină fracționară, de −1/3 sau +2/3. În general, particulele cu sarcină de același semn se resping, iar cele de semne opuse se atrag. Sarcina electrică a unui obiect macroscopic este suma sarcinilor electrice ale componentelor ce îl constituie. Adesea, sarcina electrică netă este zero, deoarece numărul de electroni din fiecare atom este egal cu numărul de protoni, și astfel sarcinile acestora se anulează reciproc. Situațiile în care sarcina netă este nenulă sunt denumite electricitate statică.
Mai mult, chiar și când sarcina netă este zero, ea poate fi distribuită neuniform (de exemplu din cauza unui câmp electric extern), atunci spunându-se despre material că este polarizat, iar sarcinile legate de polarizare sunt numite sarcini legate (iar sarcinile în exces aduse din exterior se numesc sarcini libere). O mișcare ordonată a particulelor încărcate într-o anumită direcție (în metale, aceste particule sunt electronii) este cunoscută sub numele de curent electric. Unitatea de măsură în sistemul internațional pentru sarcina electrică este coulombul, care reprezintă aproximativ 6.024 × 1018 sarcini elementare (egale cu sarcina unui singur proton sau electron).
Coulombul este definit ca fiind sarcina electrică sau cantitatea de electricitate care trece prin secțiunea transversală a unui conductor electric prin care trece un amper timp de o secundă. Simbolul Q este adesea folosit pentru a nota cantitatea de sarcină electrică. Formal, sarcina electrică a unui corp trebuie să fie multiplu de sarcina elementară e (sarcina este cuantificată), dar deoarece este o cantitate macroscopică, cu multe ordine de mărime mai mare decât sarcina elementară, poate lua practic orice valoare reală.
Din textul de referință: „geometria purtătorilor de sarcină și mișcarea lor în câmp electric” se poate observa importanța de a descrie clar mișcarea ordonată și drifteimea în contextul mediilor diferite. Exemplele includ metalul, care poate purta curentul prin purtători mobili, și mediile dielectrice în care polarizarea joacă un rol crucial în distribuția sarcinilor. Într-un circuit, conectarea unei surse de tensiune la un ansamblu de componente demonstrează cum câmpul electric se propagă prin întregul conductor și cum purtătorii de sarcină reacționează la această propagare.
Unitatea coulombului, ca măsură a sarcinii, poate fi legată de cantitatea de sarcină care trece prin secțiunea transversală a conductorului în unități de timp, adică prin fluxul de curent electric. În termeni practici, curentul electric este rezultatul mișcării ordonate a purtătorilor de sarcină, în timp ce driftelele reprezintă componenta corelată cu câmpul electric aplicat. Această distincție devine esențială atunci când analizăm purtătorii de sarcină în diferite medii, cum ar fi conductori metalici, gaze sau materiale polare.
În concluzie, mișcarea purtătorilor de sarcină în conductori se explică prin coexistența a două componente: o mișcare haotică, datorată agitației termice și ciocnirilor, și o mișcare ordonată, rezultată din influența câmpului electric și exprimată prin viteza drift. În mediile diferite, distribuția sarcinilor poate varia: netezită de polarizare în dielectrice, sau uniformizată în conductori fini, unde curentul se propaga la viteze mari prin câmpul electric.
Figura infografică de mai jos ilustrează diferențele dintre curentul în rezistor, curentul în conductorul metalic și efectul polarizării în dielectrice.
Ce reprezintă sarcina electrică în practică?
Sarcina electrică este quantificată prin sarcina elementară e, valoarea sa fiind 1,602 × 10−19 C. Este important să înțelegem că sarcina electrică a unui obiect macroscopic este suma sarcinilor componetelor sale, iar în multe situații aceasta poate fi neutrală net. În cazul electricității statice, distribuția sarcinilor poate fi neuniformă, generând câmpuri externe care polarizează materialele.
Concepte esențiale despre purtătorii de sarcină
- Sarcina pozitivă și negativă, definite prin particulele electrotehnice (protoni, electroni) și prin valorile de sarcină ±1 în unități elementare.
- Electronii au sarcina -1, protonii +1; quarkurile pot avea sarcini fracționare (−1/3 sau +2/3).
- Forța electromagnetică ca interacțiune fundamentală, rezultată din mișcarea purtătorilor în câmpuri electrice și magnetic.
- Drift velocity: viteza medie de mișcare ordonată a purtătorilor în conductor sub acțiunea câmpului electric, valorizată de ordinul mic, de exemplu 0,06 mm/s pentru 10 A prin Cu.
Interacțiuni între purtătorii de sarcină și mediile
În conductori, purtătorii de sarcină se află într-o mișcare continuă de agitație termică, dar curentul reprezintă o mișcare ordonată, rezultată din câmpul electric. În dielectrice, polarizarea creează sarcini legate, iar însolicitarea externă aduce sarcini libere. Propagarea câmpului electric prin întregul corp asigură o acțiune la distanță, facilitând transmiterea curentului prin întregul circuit.
O scurtă notă istorică și bibliografică
În literatura de specialitate se menționează lucrări precum Electricitate și magnetism, vol. I, sau lucrări despre bazele teoriei electricității, care oferă fundamentele teoretice pentru înțelegerea purtătorilor de sarcină și a interacțiunilor lor cu câmpurile electromagnetice. Aceste referințe subliniază importanța conservării sarcinilor electrice și a energiei asociate, precum și cuantificarea sarcinii prin sarcina elementară e.
Viteza de derivă (concept și intuiție) | Electricitate | Fizică | Academia Khan
tags: #cine #sunt #purtatorii #de #sarcina #electrica
Postări populare:
- Ghid practic: alimente de evitat în timpul sarcinii pentru o alimentație sigură
- Desființarea postului în timpul maternității
- Vârsta bebelușului în luni, cu reperele lunii și etapele de dezvoltare
- Stan Luciana, medic pediatru: competențe
- Consultanță pediatrică în sectorul 6 al Bucureștiului la Medikali Pallady