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.
Din punct de vedere fizic, sarcina electrică este o mărime fizică ce exprimă din punct de vedere macroscopic o proprietate fundamentală a materiei care determină acesteia interacțiile prin câmp electromagnetic. Denumirea celor două tipuri de sarcini electrice ca “negative” și “pozitive” este o simplă convenție. Inițial, aceste denumiri au fost legate de faptul că un corp încărcat cu un anumit tip de sarcină trece într-o stare neutră dacă se aduce pe el o sarcină de aceeași valoare, dar de tip contrar. Starea neutră nu presupune absența sarcinii electrice din sistem, este suficient ca sarcina electrică totală să fie zero.
Sarcina electrică este caracteristică unor particule subatomice și este cuantificată, exprimată doar ca multiplu al așa-numitei sarcini elementare (e), care are valoarea de 1,602·10-19 C (coulomb). Sarcina electrică elementară este cea mai mică sarcină electrică pozitivă care există liber în natură. Deoarece sarcina electrică nu poate lua orice valoare, ci doar anumite valori, se spune că sarcina este cuantificată (are caracter discontinuu sau discret).
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. Cel care a contribuit la descoperirea legii interacțiunii dintre sarcinile electrice a fost Charles-Augustin de Coulomb. În 1785, acesta a utilizat o balanță de torsiune pentru a arăta că forța de interacțiune electrică este proporțională cu „cantitatea de electricitate” a corpurilor aflate în interacțiune.
Formula legii lui Coulomb pentru forța dintre două sarcini punctiforme q1 și q2, aflate la distanța r una de cealaltă, este:
$$ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} $$
unde k este constanta electrostatică. În vid, k are valoarea de aproximativ 8.987 × 109 N⋅m2/C2. Această constantă poate fi exprimată și prin:
$$ k = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} $$
unde $\epsilon_0$ este permitivitatea electrică a vidului. În medii materiale, constanta de proporționalitate devine:
$$ F = \frac{1}{4 \pi \epsilon} \frac{|q_1 q_2|}{r^2} $$
unde $\epsilon = \epsilon_r \epsilon_0$ este permitivitatea electrică absolută a mediului, iar $\epsilon_r$ este permitivitatea electrică relativă.
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).
Câmpul Electric
În diferite puncte ale spațiului din jurul unui corp electrizat se exercită acțiuni electrice asupra oricărui alt corp plasat în punctele respective, indiferent dacă este vorba de un corp încărcat sau neutru și indiferent dacă este un corp din material izolator sau conductor. În punctele spațiului din jurul unui corp electrizat în care se manifestă acțiuni electrice, spunem că există un câmp electric generat de corpul electrizat. Corpul electrizat care generează câmpul este numit sursa câmpului.
Considerăm un corp punctiform încărcat cu sarcina Q (sursa câmpului). În câmpul electric generat de acest corp, se plasează un corp de probă încărcat cu sarcina q. Forța care acționează asupra corpului de probă este dată de legea lui Coulomb.
Energia potențială poate fi interpretată ca o consecință a interacțiunii dintre corpul de probă și câmpul electric generat de Q în locul în care se află q.
Capacitatea Electrică și Condensatoarele
Sarcina electrică acumulată de diferite condensatoare, având aceeași tensiune între armături, depinde de caracteristicile constructive ale condensatorului. Capacitatea electrică (simbol C) este o mărime fizică ce caracterizează capacitatea unui corp conductor sau a unui sistem de conductoare de a stoca sarcină electrică atunci când se aplică o diferență de potențial.
$$ C = \frac{Q}{V} $$
unde Q este sarcina pe conductor, iar V este potențialul său.
Condensatorul plan este alcătuit din două armaturi plane, de arie S fiecare, dispuse paralel la distanța d una de cealaltă. Între cele două armaturi se găsește un dielectric cu permitivitatea electrică $\epsilon$. Distanța dintre armaturi este foarte mică în comparație cu dimensiunile armaturilor, astfel încât se poate considera că, între armaturi, câmpul electric este uniform.
Capacitatea unui condensator plan este dată de formula:
$$ C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{S}{d} $$
Capacitatea condensatoarelor utilizate în practică acoperă un interval de valori cuprins între 1 pF și 1 F. Pentru obținerea unor capacități mari, este necesară realizarea unor armaturi aflate la distanțe foarte mici și cu suprafețe mari.
Tipuri de Condensatoare
Condensatoare cu dielectric de hârtie
Condensatoarele ce au dielectric hârtie se fabrică relativ ușor și au capacitatea de până la zeci de mF, iar tensiunea nominală poate urca până la zeci de kV.
Condensatoare electrolitice
Ideea constructivă a acestor condensatoare este obținerea unui strat dielectric la suprafața unui metal, prin reacții chimice din acel metal și un electrolit. Oxidul care se formează constituie un dielectric de grosime foarte mică și, în consecință, se obțin capacități electrice mari (tensiunile nominale sunt relativ mici). Acestea pot avea electrolit lichid sau semiuscat.
- Electrolit lichid: Un cilindru de aluminiu (catodul) este umplut cu hidroxid de sodiu. Acesta reacționează cu aluminiul, formând pe suprafața interioară a cilindrului un strat foarte subțire de hidroxid de aluminiu (izolator).
- Electrolit semiuscat: Se construiesc și condensatoare asemănătoare, dar cu dielectric semiuscat. Acestea permit obținerea unor parametri mai convenabili.
Condensatoare cu tantal
Varianta constructivă cea mai utilizată constă într-un electrod (anodul) realizat din pulbere de tantal sinterizată (pulbere încălzită și presată în vid la aproximativ 20000C) sub formă cilindrică.
Condensatoare variabile
Condensatoarele variabile sunt construite astfel încât capacitatea poate fi modificată prin reglarea suprafeței active a armaturilor. Astfel de condensatoare sunt utilizate în unele aparate de radio, pentru acordarea receptorului pe frecvența dorită.
Tensiunea de Strapungere și Tensiunea Nominală
La atingerea unei anumite valori a tensiunii dintre armaturi, numită tensiune de strapungere, între armaturi se produce o descărcare electrică ce determină distrugerea locală a dielectricului, eventual și realizarea unui contact electric între armaturi.
Tensiunea nominală (simbol U0) este tensiunea normală de funcționare, tensiunea recomandată de producător, și este de 1,15...3 ori mai mică decât tensiunea de strapungere, în funcție de dielectricul utilizat.
Tipuri de Sarcini Electrice
În contextul consumului de energie, termenul "sarcină electrică" se referă la dispozitivele care transformă energia electrică în alte forme de energie. Sarcina poate fi explicată și ca puterea consumată, generată sau convertită de un dispozitiv de alimentare în timpul funcționării.
Sarcini inductive
Sarcinile inductive sunt sarcini cu parametri inductivi care produc inducție electromagnetică atunci când curentul se modifică, determinând întârzierea curentului față de tensiune, adică există o diferență de fază între curent și tensiune. Aceste echipamente tind să producă un curent de pornire de câteva ori mai mare decât în funcționarea normală. În procesul de conectare, deconectare apare adesea un potențial de reacție, afectând efectul alimentării cu energie. De obicei, sunt aplicate motoarelor, transformatoarelor, inductorilor și altor echipamente. Mașinile de spălat și aparatele de aer condiționat au sarcini inductive.
Sarcini rezistive
Sarcinile rezistive sunt sarcini pur rezistive care funcționează prin intermediul componentelor rezistive. Rezistența lor nu se modifică odată cu schimbarea curentului, iar curentul sarcinilor rezistive este proporțional cu tensiunea, neexistând diferență de fază, iar stabilitatea lor este mai bună. Aplicarea lor în circuit este foarte largă, putând fi utilizate în aproape orice scenariu de alimentare cu tensiune, fiind de obicei utilizate în conversia energiei electrice în căldură sau energie luminoasă în aparate, cum ar fi lămpi, cuptoare, încălzitoare și așa mai departe.
Sarcini capacitive
Sarcinile capacitive sunt sarcini cu parametri capacitivi în circuit. Spre deosebire de sarcinile inductive, la acestea curentul este superior tensiunii, deci factorul lor de putere este mai mare de 1. Sunt adesea folosite ca echipamente de compensare capacitivă pentru reglarea factorului de putere al sistemului. Sarcinile capacitive sunt utilizate pe scară largă, în principal în filtrare, stabilizare a tensiunii și circuite de protecție, fiind folosite în control industrial, echipamente de comunicații, computere și alte domenii. Televizoarele și monitoarele electronice de calculator sunt sarcini capacitive tipice.
Calculul Capacității de Încărcare a Circuitului
Pentru aparatele individuale, cunoscând curentul și tensiunea acestora și folosind formula puterii cos ($\cos \phi$) pentru a reprezenta factorul de putere, puteți face calculul. De exemplu, dacă curentul printr-un fir este de 10 A, iar tensiunea rețelei este de 220 V, atunci sarcina pe acel fir este de 2200 W (puterea activă).
Importanța Sarcinilor Electrice
Înțelegerea utilizării energiei în locuințe:
- Sarcina electrică vă poate ajuta să înțelegeți mai bine utilizarea energiei în locuințe.
- Puteți utiliza aceste informații pentru a ști care dintre electrocasnicele dvs. consumă mai multă energie, astfel încât să puteți viza o capacitate mare.
- Reducerea posibilității supraîncărcării circuitelor minimizează riscul potențialelor pericole pentru siguranță.
- O aranjare rezonabilă a sarcinii poate reduce curentul și tensiunea pentru circuit și impactul asupra echipamentului, contribuind la reducerea pierderilor și prelungirea duratei de viață a echipamentelor și circuitelor.
- În același timp, o aranjare rezonabilă a sarcinilor poate reduce impactul curentului și tensiunii asupra circuitelor și echipamentelor, a reduce pierderile, a prelungi utilizarea echipamentelor și circuitelor și a reduce costurile de întreținere.
Reducerea consumului de energie: Prin alocarea rațională a sarcinilor, sistemul energetic poate fi îmbunătățit pentru a utiliza energia electrică într-o alocare mai rațională a energiei.
Prelungirea duratei de viață a echipamentelor și circuitelor: Sarcinile electrice vă vor ajuta, de asemenea, să înțelegeți linia celei mai eficiente, reducând risipa de energie. De exemplu, în sistemul energetic, sarcinile rezistive și sarcinile inductive au un factor de putere scăzut și sunt adesea reglate cu sarcini capacitive care au un factor de putere mai mare, reducând consumul de energie.
Îmbunătățirea calității alimentării cu energie electrică: Sarcinile inductive și sarcinile rezistive, în procesul de funcționare, vor produce fluctuații mari de curent, ceea ce afectează calitatea alimentării cu energie electrică. Sarcinile capacitive pot compensa aceste fluctuații, reducând eficient aceste fluctuații și îmbunătățind calitatea alimentării cu energie electrică.
Tipuri de sarcini electrice - Sarcină rezistivă vs. inductivă vs. capacitivă - Valori ale factorului de putere
Impactul Sarcinilor Electrice asupra Sistemelor de Energie Solară
Dacă doriți să utilizați energia solară pentru a vă alimenta locuința, trebuie să aflați sarcina locuinței dvs. pentru a determina cât de mare este sistemul solar de care aveți nevoie. O sarcină mai mare necesită un sistem solar mai mare, calculând puterea totală a sarcinii locuinței pentru a alege puterea potrivită a panourilor solare, precum și a invertorului solar.
În rețelele electrice, condensatoarele sunt conectate în diverse moduri. În fig. 1. sunt reprezentate n condensatoare conectate în serie și condensatorul echivalent, CS. Presupunem că, înainte de aplicarea tensiunii U, condensatoarele sunt descărcate. Armăturile vecine a două condensatoare consecutive și conductorul ce le conectează formează, din punct de vedere electrostatic, un singur conductor izolat de mediul înconjurător.