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 ca multiplu al sarcinii elementare e, având valoarea de 1,602·10⁻¹⁹ C (coulomb). Există sarcini pozitive și sarcini negative; cele două tipuri (+) și (-) sunt de valoare egală în modul. Electronii au sarcina -1, iar protonii au sarcina +1.
În materia obișnuită, sarcina negativă este purtată de electroni, iar sarcina pozitivă de protoni. Sarcina este zilnic contabilizată la nivel macroscopic ca sumă a sarcinilor electrice ale componentelor sale. Adesea, sarcina 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. Chiar și atunci când sarcina netă este zero, ea poate fi distribuită neuniform, când este polarizat materialul, iar sarcinile legate de polarizare sunt denumite astfel, în timp ce sarcinile în exces aduse din exterior se numesc sarcini libere.
O mișcare ordonată a particulelor încărcate într-o anumită direcție (în metale, de exemplu electronii) este curentul electric. Unitatea de măsură pentru sarcina electrică în Sistemul Internațional este coulombul, aproximativ 6.024×10¹⁸ sarcini elementare. Simbolul Q este frecvent folosit pentru a nota cantitatea de sarcină. Formal, sarcina electrică a unui corp este multiplu de sarcina elementară, dar ca mărime macroscopică poate lua valori reale arbitrare.
În modelul atomic, materia este compusă din electroni și protoni, iar sarcina este conservată: legea conservării sarcinii afirmă că sarcina totală a unui sistem izolat nu se poate schimba. Protonele poartă sarcina +e, electronii −e, iar distribuția lor determină caracterul electric al obiectelor macroscopic. Particulele încărcate sunt atrase sau respinse în funcție de semnul sarcinilor; cele de semn opus se atrag, cele de același semn se resping.
Se poate observa cum un obiect neutru poate atrage obiecte încărcate sau cum un obiect încărcat poate atrage obiecte neutre, prin efecte de inducție electrică și polarizare. În cazul unui obiect neutru, distribuția sarcinilor poate fi dezechilibrată datorită câmpurilor externe, rezultând o atracție aparentă. Modelarea atomului include protonii și neutronii în nucleu, în timp ce electronii orbitează nucleul. În particular, electronul are sarcina -e, iar protonul +e; masa protonului este aproximativ 1; masa electronului este foarte mică comparativ cu cea a nucleului.
Legea lui Coulomb cuantifică forța electrostatică dintre două sarcini punctiforme aflate la distanța r: F ∝ q₁q₂/r², cu constanta k ≈ 9,0×10⁹ N·m²/C². Forța este de atracție dacă sarcinile sunt de semne diferite și de respingere dacă sarcinile au același semn. Conservarea sarcinii demonstrează că într-un proces de frecare între obiecte neutre se transferă o cantitate de sarcină de un tip la celălalt, iar totalul rămâne constant. În demonstrațiile clasice, frecarea dintre materiale diferite poate produce încărcare statică în materiale neconductoare.
Modelul cu două tipuri de sarcină implică două modele distincte, A și B, care reprezintă tipuri de sarcină ce trebuie să atragă sau respinge în mod specific. Orice obiect încărcat se va comporta în mod similar cu unul dintre modele, atrăgând sau respingând obiecte în funcție de tipul său. Două tipuri de sarcină se pot aduna în cantități diferite, dar relația fundamentală rămâne aceeași: sarcina este proprietatea fundamentală a materiei ce determină interacțiunile electrostatice.
În contextul Earth science, un câmp energetic slab înconjoară planeta încă dinaintea observațiilor moderne. Câmpul ambipolar este un câmp electric detectat în ionosferă. În 1968 au fost descrise efecte legate de vântul de înaltă altitudine al particulelor din atmosferă care indică existența unui câmp electric suplimentar. Câmpul ambipolar funcționează în ambele direcții, ionii furnizând tracțiune în jos, electronii în sus, rezultând o încercare de a menține neutralitatea sarcinii în plasmă. Acest fenomen poate fi explicat prin ionii ridicați de gravitație și electronii care sunt atrași în sus, conducând la o atmosferă „umflată” la altitudini înalte și la vânt polar de particule.
Misiunea Endurance a NASA, lansată în mai 2022, a adus primele măsurători ale câmpului ambipolar la altitudini în jur de 768 kilometri. Sonda a înregistrat o modificare a potențialului electric de aproximativ 0,55 V, suficientă pentru a demonstra existența câmpului electric ambipolar. Ionii de hidrogen și oxigen au fost implicați în dinamica plasmei ionosferice; divergența ionilor în spațiu poate fi explicată prin forțe electrice generate în plasmă, echilibrate într-un mod care permite menținerea neutralității generale a atmosferei. Această cantitate de sarcină este suficientă pentru a trage ionii în spațiu cu viteze supersonice, contribuind la vântul polar.
Acest câmp ambipolar reprezintă o parte fundamentală a funcționării Pământului și contribuie la înțelegerea evoluției planetei, a atmosferei sale și, posibil, a condițiilor pentru viața de pe suprafața sa. Se poate afirma că Pământul nu este doar o bucată de rocă inertă în spațiu, ci o lume în care interacțiunile electromagnetice modelează dinamica ionosferei, magnetosferei și a câmpului gravitațional. În concluzie, observațiile recente deschid calea pentru o înțelegere mai completă a câmpului ambipolar și a rolului său în evoluția Planetelor și a condițiilor de viață.
- Două tipuri de sarcină: pozitivă (+) și negativă (-)
- Sarcina elementară e ≈ 1,602×10⁻¹⁹ C
- Coulomb: legea forței electrostatice
- Conservarea sarcinii în sisteme izolate
- Polarizare și sarcinile legate vs. libere
- Curentul electric ca mișcare ordonată a sarcinilor
- Câmp ambipolar în ionosferă
- Misiuni spațiale care au măsurat efecte ale câmpului ambipolar
Implicări ale câmpului ambipolar pentru înțelegerea Pământului
- Câmpul ambipolar contribuie la modul în care atmosfera este „umflată” la înălțimi mari prin reducerea retenției particulelor în spațiu.
- Diferențele de masă între ionii mai ușori (hidrogen) și cei mai grei (oxigen) afectează densitatea plasmatică în ionosferă.
- Primele măsurători confirmă existența câmpului electric care poartă semnificații în modelarea evoluției planetei și potențialele implicații pentru climă spațială.
- Înțelegerea câmpului ambipolar poate ajuta la explicarea modului în care polii Pământului interacționează cu vântul solar și cu fluxurile magnetice.
Concluzii despre structurarea sarcinii electrice pe Pământ
Conservarea sarcinii, dualitatea tipurilor de sarcină și interacțiunile dintre sarcini și câmpuri formează baza înțelegerii noastre despre electricitate la scară planetară. Câmpul ambipolar reprezintă o piesă crucială în mecanismele prin care atmosfera își păstrează neutralitatea în timp ce particulele încărcate pot scăpa în spațiu, indicând un echilibru delicat între forțe electrice, gravitaționale și dinamica plasmei.
tags: #yotube #cum #se #stabileste #sarcina #electrica
Postări populare:
- Importanța pachetului ginecologic cu ecografie mamară în screening și diagnostic
- Cum știi dacă ești însărcinată: manifestări timpurii și simptome
- Ghid de îngrijire după hernie ombilicală și inghinală
- Cum să folosești supa de morcovi în diareea la bebeluși și sugari de 3 luni
- Eficiența Avortului Medicamentos