Sarcina electrică este o proprietate fundamentală a materiei, care determină capacitatea acesteia de a interacționa prin forțe electrostatice și electromagnetice. Este unul dintre conceptele de bază în fizica clasică și cuantică, fiind sursa câmpului electric și un element ce definește intensitatea interacțiunilor dintre particule.
În natură, sarcinile există în două forme: pozitivă și negativă. Corpuri cu sarcini de semne opuse se atrag, iar cele cu sarcini de același semn se resping. Aceste fenomene sunt descrise de legea lui Coulomb, care constituie baza analizei forțelor electrostatice dintre obiecte.
La nivel microscopic, sarcina este purtătoarea informației despre interacțiunile electromagnetice și participă în procese precum conducția electrică, ionizarea și recombinarea. În conductori electrici, cum ar fi metalele, sarcinile libere (de obicei electronii) pot migra sub influența câmpului electric, generând curent electric. Fenomenele legate de sarcina electrică joacă un rol esențial în funcționarea circuitelor electronice, a dispozitivelor de măsurare, a sistemelor energetice și a tehnologiilor de procesare a semnalelor. Prezența și distribuția sarcinilor influențează câmpul și potențialul electric, iar în dinamica electromagnetică contribuie și la generarea câmpului magnetic.
Definiții și proprietăți fundamentale
Sarcina electrică sau cantitatea de electricitate este o mărime fizică ce exprimă din punct de vedere macroscopic o proprietate fundamentală a materiei, care determină interacțiunile acesteia 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, 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 atunci când este exprimată ca multiplu al așa-numitei sarcini elementare e, care are valoarea de 1,602·10-19 C (coulomb).
Tipuri de sarcini și interacțiuni
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, iar 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 (de exemplu, din cauza unui câmp electric extern), atunci spunându-se despre material că este polarizat, iar sarcinile legate de polarizare se numesc sarcini legate (iar sarcinile în exces aduse din exterior se numesc sarcini libere).
Unități de măsură și cuantificare
Unitatea de măsură în Sistemul Internațional pentru sarcina electrică este coulombul (C), 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.
Istoricul înțelegerii sarcinii electrice
Fenomenele electrice au fost studiate încă din antichitate, deși progrese în domeniul științei nu s-au făcut până în secolele al XVII-lea și al XVIII-lea. Aplicațiile practice pentru energia electrică au rămas însă puține și nu au putut fi exploatate pentru utilizare industrială și rezidențială de către ingineri până în secolul al XIX-lea.
Primele observații și experimente
Cu mult înainte de a exista orice cunoștințe de energie electrică, oamenii erau conștienți de fenomenul curentării din cauza peștilor electrici. Texte antice egiptene datând din 2750 î.e.n. menționează acești pești ca „Tunătorii Nilului”, și îi descriau ca „protectorii” tuturor celorlalte specii de pește.
Culturile antice din jurul Mediteranei știau că anumite obiecte, cum ar fi tijele de chihlimbar, puteau fi frecate de blana pisicii pentru a atrage obiecte ușoare, cum ar fi penele. Thales din Milet a făcut o serie de observații privind electricitatea statică în jurul anului 600 î.e.n., din care el a ajuns să creadă că frecarea făcea chihlimbarul să fie magnetic, spre deosebire de minerale, cum ar fi magnetita, care nu avea nevoie de nicio frecare. Thales se înșela în credința sa că atracția ar fi datorată unui efect magnetic, dar mai târziu știința avea să demonstreze o legătură între magnetism și electricitate.
Alte lucrări au efectuat și Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray și C. F. du Fay. În secolul al XVIII-lea, Benjamin Franklin a efectuat cercetări extinse de electricitate, vânzându-și bunurile pentru a-și finanța activitatea.
Progrese în secolele XIX și XX
Începutul secolului al XIX-lea a adus un progres rapid în domeniul științei electrice, dar sfârșitul aceluiași secol a adus și cel mai mare progres în ingineria electrică.
În 1887, Heinrich Hertz a descoperit că electrozii iluminați cu lumină ultravioletă creează cu mai multă ușurință scântei electrice. În 1905, Albert Einstein a publicat o lucrare care explica datele experimentale din efectul fotoelectric ca fiind consecința faptului că energia luminii este transportată în pachete discret cuantificate și transferată electronilor. Această descoperire a condus la revoluția cuantică în fizică.
Sarcina electrică în contextul fizicii moderne
Sarcina electrică este o proprietate fizică a materiei care o face să simtă o forță atunci când este plasată într-un câmp electromagnetic. Există două tipuri de sarcini electrice: pozitive și negative (transportate în mod obișnuit prin protoni și, respectiv, electroni). Sarcinile de semn opus se atrag și cele de același semn se resping.
Un obiect în absența unei sarcini nete este numit neutru. Sarcina electrică este o proprietate conservată; încărcarea netă a unui sistem izolat, cantitatea de sarcină pozitivă minus cantitatea de sarcină negativă, nu se poate schimba.
Particule subatomice și sarcina
În materia obișnuită, sarcina negativă este purtată de electroni, iar sarcina pozitivă este purtată de protonii din nucleele atomilor. Dacă există mai mulți electroni decât protonii într-o bucată de materie, aceasta va avea o sarcină negativă; dacă sunt mai puțini, va avea o sarcină pozitivă; și dacă vor fi în numere egale, va fi neutră.
Sarcina este cuantizată în multiplii întregi de unități mici individuale numite sarcina elementară (e), aproximativ 1,602×10-19 coulombi, care este cea mai mică sarcină care poate exista liberă (particulele numite cuarci au sarcini mai mici, multiplii de 1/3e, dar sunt găsiți doar în combinație).
Câmpul electric și magnetic
Sarcinile electrice creează un câmp electric, iar în cazul în care se mișcă, generează și un câmp magnetic. Combinația câmpului electric și magnetic se numește câmpul electromagnetic, iar interacțiunea cu sarcinile este sursa forței electromagnetice, care este una dintre cele patru forțe fundamentale din fizică.
Conceptul de câmp electric a fost introdus de către Michael Faraday. Un câmp electric este creat de un corp încărcat electric în spațiul care îl înconjoară și are ca rezultat o forță exercitată asupra oricărei alte sarcini introduse în câmp. Câmpul electric acționează între două sarcini într-un mod similar cu modul în care câmpul gravitațional acționează între două mase, și se extinde, astfel, spre infinit, prezentând o proporționalitate invers-pătratică cu distanța.
Există o diferență importantă: gravitația acționează întotdeauna în sensul atracției, în timp ce câmpul electric poate duce fie la atracție, fie la respingere. Un corp conductor gol pe dinăuntru poartă toată sarcina pe suprafața sa exterioară. Principiile electrostaticii sunt importante atunci când se proiectează echipamente de înaltă tensiune.
Aplicații și relevanță
Sarcina electrică generează și interacționează cu forța electromagnetică, una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii. Cei mai cunoscuți purtători de sarcină electrică sunt electronii și protonii. Sarcinile purtate de electroni și protoni sunt de semne opuse, prin urmare, o cantitate de energie poate fi exprimată ca fiind negativă sau pozitivă.
Curentul electric
Mișcarea sarcinii electrice este cunoscută drept curent electric, intensitatea acestuia fiind de obicei măsurată în amperi. Printr-o convenție istorică, un curent pozitiv este definit ca având aceeași direcție de curgere ca sarcinile pozitive pe care le conține, sau că curge dinspre partea cea mai pozitivă dintr-un circuit spre cea mai negativă. Curentul definit în acest mod este numit curent convențional.
Procesul prin care trece curentul electric printr-un material se numește conducție electrică, și natura acesteia variază în funcție de particule și materialul prin care se deplasează ele. Exemple de curenți electrici sunt conducția metalică, unde electronii se deplasează printr-un conductor, cum ar fi metalul, și electroliza, unde ioni (atomi cu sarcină electrică) curg prin lichide, sau prin plasme cum ar fi scânteile electrice.
Dispozitive semiconductoare și tehnologie
Primul dispozitiv semiconductor a fost dioda cu contact punctiform, folosită pentru prima dată în 1900 în receptoarele radio. Un fir foarte subțire era introdus ușor în contact cu un cristal solid (cum ar fi un cristal de germaniu), în scopul de a detecta un semnal radio prin efectul contactului joncțiunii.
Într-o componentă semiconductoare, curentul este mărginit în elemente și compuși solizi proiectați special pentru a-l comuta și amplifica. Fluxul de curent poate fi înțeles în două forme: ca electroni încărcați negativ și ca lipse de electroni, încărcate pozitiv, numite goluri. Aceste sarcini și goluri sunt înțelese în termeni de fizică cuantică. Dispozitivele cu semiconductori au devenit o ramură de sine stătătoare după inventarea tranzistorului în 1947. Dispozitive semiconductoare obișnuite sunt tranzistoarele, circuitele integrate, microprocesoarele și RAM-ul.
Tranzistori, cum funcționează?
Ipoteze și perspective teoretice
Există diverse ipoteze teoretice care explorează natura sarcinii electrice din perspective mai avansate:
- Ipoteză: sarcina electrică a unui corp este dată de numărul de spire dintre două noduri consecutive ale traiectoriei pe care se deplasează corpul, iar semnul ei este dat de semnul torsiunii traiectoriei.
- Ipoteză: Sarcina electrică este proporțională cu logaritmul lancretianului.
- Ipoteză: Sarcina electrică este proporțională cu viteza de variație a lancretianului.
- Ipoteză: Masa este proporțională cu viteza de variație a sarcinii electrice sau a temperaturii.
- Ipoteză: Sarcina electrică este darbuzian variabil. Un corp este încărcat electric dacă variază darbuzianul său.
- Ipoteză: Sarcina electrică este dată de abaterea lancretianului de la unitate. Un corp cu lancretianul unitar nu are sarcină electrică. Un corp cu lancretianul subunitar este încărcat negativ, iar lancretianul supraunitar corespunde sarcinilor pozitive.
Aceste ipoteze, deși speculative, subliniază complexitatea și posibilele abordări noi în înțelegerea fundamentelor sarcinii electrice, mergând dincolo de definițiile clasice.
