Sarcina electrică sau cantitatea de electricitate este o mărime fizică ce exprimă din punct de vedere macroscopic o proprietate fundamentală a materiei care determină interacțiile 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 × 10^18 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.
„Forțele” electromagnetice sunt manifestate prin efectul pe care îl au asupra unui obiect fizic: ele determină accelerarea obiectului, schimbând impulsul acestuia. Forța gravitației acționează asupra tuturor obiectelor cu masă. Forța electrică acționează asupra tuturor obiectelor cu proprietatea numită sarcină. Forța electrică este mult mai puternică decât gravitația (în cele mai multe sisteme unde apar ambele), dar poate fi o forță de atracție sau o forță de repulsie, ceea ce conduce la efecte foarte diferite asupra obiectelor. Forța electrică ajută la menținerea atomilor împreună, deci este de importanță fundamentală în materie.
Cu siguranță sunteți familiarizați cu dispozitivele electronice pe care le activați prin apăsarea unui comutator, de la calculatoare la telefoane mobile și televizor. Și ați văzut cu siguranță electricitatea într-un fulger în timpul unei furtuni puternice. Dar, de asemenea, ați experimentat cel mai probabil efectele electrice în alte moduri, poate fără a realiza că a fost implicată o forță electrică. Probabil că ați experimentat fenomenul de electricitate statică: Când luați prima dată hainele dintr-un uscător, mulțe (nu toate) au tendința de a rămâne lipite; unele materiale pot fi foarte dificil de separat. Un alt exemplu se întâmplă dacă luați rapid un pulover de lână - puteți simți (și auzi) electricitatea statică atrăgându-vă hainele, și poate chiar și părul.
(Figura 2 Un pieptăn încărcat electric atrage un șuvoi de apă de la distanță. Să presupunem că aduceți pieptănul aproape de niște benzi mici de hârtie; fâșiile de hârtie sunt atrase de pieptăn și chiar se agață de el (Figura 3). În bucătărie, trageți rapid o bucată de plastic afară de pe role; aceasta va avea tendința de a se agăța de cele mai multe materiale nemetalice (cum ar fi plasticul, sticla sau alimentele). Dacă frecați un balon pe perete pentru câteva secunde, acesta se va lipi de perete. (Figura 3 După ce v-ați folosit pieptănat, pieptănul atrage mici fâșii de hârtie de la distanță, fără contact fizic. Multe dintre aceste fenomene au fost cunoscute de secole.
Filosoful antic grec Tales din Milet (624-546 î.e.n.) a arătat că, atunci când chihlimbarul (o rășină tare, translucidă, fosilă din copacii dispăruți) este frecat puternic cu o bucata de blană, se creează o forță care face ca blănurile și chihlimbarul să se atragă reciproc (Figura 4). (Figura 4 Ambra de Borneo este exploatată în Sabah, Malaezia, din vene de șisturi-gresie-nămol, iar atunci când o bucată de chihlimbar este frecat cu o bucată de blană, chihlimbarul câștigă mai mulți electroni, rezultând o încărcare negativă netă. (Figura 5 Atunci când materialele sunt frecate împreună, sarcinile pot fi separate, mai ales dacă un material are o afinitate mai mare pentru electroni decât altul (a) Atât chihlimbarul cât și țesătura sunt inițial neutre, cu sarcini pozitive și negative egale. (b) Atunci când sunt frecate împreună, o anumită sarcină negativă este transferată pe chihlimbar, lăsând țesătura cu o sarcină netă pozitivă.
Fizicianul englez William Gilbert (1544-1603) a studiat, de asemenea, această forță de atracție, folosind diferite substanțe. El a descoperit că metalele nu au prezentat deloc această forță, spre deosebire de minerale. El a sugerat că există două tipuri de proprietăți electrice; această proprietate a ajuns în cele din urmă să fie numită sarcină electrică. Diferența dintre cele două tipuri de sarcină electrică este în direcția forțelor electrice pe care le provoacă fiecare tip de sarcină: aceste forțe sunt de respingere atunci când același tip de sarcină există pe două obiecte care interacționează, și de atracție atunci când sarcinile sunt de semne opuse. Cel mai ciudat aspect al acestei forțe este că nu necesită un contact fizic între cele două obiecte pentru a provoca o accelerație. Acesta este un exemplu de așa-numită „forță cu rază lungă de acțiune”.
Fizicianul și omul de stat american Benjamin Franklin a descoperit că ar putea să concentreze sarcina într-o „butelie de Leyda”, care era în esență un borcan de sticlă cu două folii de metal, una înăuntru și una exterioară, cu sticla dintre ele (Figura 6). O butelie de Leyda a permis experimentatorilor să stocheze cantități mari de sarcină electrică. Franklin a subliniat că comportamentul observat poate fi explicat presupunând că unul dintre cele două tipuri de sarcină rămâne nemișcat, în timp ce celălalt tip de sarcină curge de la o bucată de folie la alta. El a mai sugerat că un exces de ceea ce el numea acest „lichid electric” se numește „electricitate pozitivă”, iar lipsa acestuia se numește „electricitate negativă”. Sugestia lui, cu unele modificări minore, este modelul pe care îl folosim astăzi. (Odată cu experimentele pe care le-a putut face, aceasta era o presupunere pură, pentru că nu avea nicio posibilitate de a determina semnul sarcinii în mișcare. Din păcate, el a ghicit greșit, acum știm că sarcinile care curg sunt cele pe care Franklin le-a etichetat ca fiind negative, iar sarcinile pozitive rămân în mare parte nemișcate.
Forța poate fi atractivă sau repulsivă: dacă două obiecte care interacționează poartă același semnal de sarcină, forța este respingătoare; dacă sarcinile sunt cu semn opus, forța este atractivă. Mai precis, constatăm experimental că magnitudinea forței scade pe măsură ce pătratul distanței dintre cele două obiecte interacționate crește. Astfel, de exemplu, atunci când distanța dintre două obiecte care interacționează este dublată, forța dintre ele scade la un sfert din ceea ce a fost în sistemul original.
Manifestări și exemple ale interacțiunilor dintre sarcini
În viața cotidiană, interacțiunile electrice apar sub multiple forme: electricitatea statică, descarcările în timpul furtunilor, funcționarea dispozitivelor electrice, efectele polarizării în materiale dielectrice și curenți electric în firele conductoare. În ceea ce privește sarcina netă a unei bucăți de materie, este adesea zero, dar distribuția locală poate fi neuniformă, ceea ce duce la polarizare. Acest lucru explică de ce obiectele sunt atrase de câmpuri electrice externe și cum apar efecte precum ușorul lipire între haine sau atracția între un balon și un știu de hârtie după frecare.
- Electronii în sare de metale contribuie la curentul electric prin mișcare ordonată într-o direcție, ceea ce definim ca curent electric.
- Electrostatica poate explica fenomene comune cum ar fi lipirea hainelor dupa uscător sau atracția dintre un balon și perete după frecare.
- Forța electrică poate fi atât de puternică încât menține legătura între electroni și nucleu în atomi, fiind esențială pentru structura materiei.
În concluzie, sarcina electrică este fundamentală pentru dinamica interacțiunilor electromagnetice: tipurile de sarcină, concepția de conservare a sarcinilor, distribuția netă în obiecte macroscopic și modul în care forța electrică poate acționa la distanță, fără contact fizic. Dincolo de formule și teste teoretice, această forță modelează în mod direct cum interacționează materia în lumea reală, de la structuri atomice la circuite electrice moderne.
Experiment: corpurile electrizate cu aceeasi sarcina
Note istorice relevante și observații
În vietile marilor oameni de știință din istorie, ideea existenței a două tipuri de sarcină electrică și a comportamentului lor a fost în oglindă în observațiile lui Tales, Gilbert și Franklin. Experimentele lor timpurii au demonstrat că sarcina poate fi transferată între materiale prin frecare, iar rezultatul este o polarizare a obiectelor implicate. Modelul actual al sarcinii electrice se bazează pe dezechilibrarea între sarcinile negative și cele pozitive, precum și pe natura lungă a forțelor electrice care acționează la distanță.
În practică, distribuția sarcinilor într-un obiect poate fi neutru net, dar local poate exista o încărcare netă datorată polarizării sau acumulării libere la suprafață. În plus, numărul de unități de sarcină elementară în obiect este multiplu al elementarului e, dar valoarea totală poate lua orice număr real în contextul unui sistem macroscopic.
tags: #sarcina #electrica #interactiuni #intre #sarcini #scribdd