Unități SI | coulomb (C) |
---|---|
Alte unități | ampere-oră (Ah) |
Dimensiune | ACEASTA |
Baza SI | Pentru a s |
Natură | Dimensiune scalară conservatoare extinsă |
Simbol obișnuit | Q , q |
Link către alte dimensiuni | dq / dt = I ; q = n * e |
Sarcina electrică este o proprietate fundamentală a materialului care îi permite să interacționeze prin intermediul câmpurilor electromagnetice . Este vorba despre o cantitate scalară , care joacă pentru interacțiunea electromagnetică același rol ca și masa pentru interacțiunea gravitațională . Cu toate acestea, spre deosebire de acestea din urmă, există două tipuri de sarcini electrice, care se pot distinge prin semnele lor, pozitive sau negative. Sarcinile cu același semn se resping reciproc, în timp ce cele cu semne opuse se atrag. În materie obișnuită, există un echilibru între sarcini pozitive și negative, vorbim de neutralitate electrică .
Unitatea de măsură obișnuită pentru încărcare este coulombul (C) . Cu toate acestea, în unele contexte sunt utilizate uneori alte unități, cum ar fi amper-oră ( A h ).
Încărcarea electrică este întotdeauna conservată și constituie o proprietate esențială a particulelor elementare supuse interacțiunii electromagnetice. Materia încărcată electric este influențată și produce câmpuri electromagnetice. De la experimentul lui Millikan în 1909, s-a demonstrat că sarcina electrică este cuantificată : orice sarcină Q este un multiplu întreg al sarcinii elementare , notată e , care corespunde valorii absolute a sarcinii electronului cu e ≈ 1,602 × 10 -19 C . Cu toate acestea, datorită dimensiunii mici a acestei valori, este adesea posibilă vizualizarea sarcinii ca o cantitate continuă atunci când sunt luate în considerare cantități macroscopice de sarcini. În electronică, natura discretă a încărcăturii electrice se manifestă, totuși, printr-un anumit tip de zgomot numit „ zgomot împușcat ”.
Încărcarea electrică este o noțiune abstractă, comparabilă cu cea a masei , care ajută la explicarea anumitor comportamente. Spre deosebire de masă, încărcătura electrică poate lua două forme, ceea ce experiența duce la considerarea ca „opusă”; sunt numite în mod arbitrar „pozitive” și „negative”.
Două sarcini de aceeași natură, de exemplu două sarcini pozitive, se resping reciproc, în timp ce două sarcini de natură opusă se atrag reciproc. Acest fenomen se numește interacțiune electromagnetică.
Interacțiunea dintre sarcini și un câmp electromagnetic este sursa uneia dintre cele patru forțe fundamentale . Aceste câmpuri electromagnetice, în mecanica clasică , respectă ecuațiile lui Maxwell .
Sarcina electrică poate fi măsurată direct cu un electrometru . Unitatea sa este coulombul . Particulele observate au sarcini care sunt multipli întregi ai sarcinii elementare care este o constantă fizică fundamentală (cu excepția particulelor numite quark care au o sarcină electrică corespunzătoare unui număr întreg înmulțit cu e / 3). Quarkii au sarcini fracționate de -1/3 sau +2/3, dar nu au fost observați niciodată quarks liberi. Motivul teoretic invocat pentru a explica această observație este libertatea asimptotică . Natura discretă a încărcăturii electrice a fost demonstrată de Robert Millikan în experimentul numit după el .
Încărcarea electrică a fost descoperită de grecii antici care au descoperit că fricțiunea blănii asupra diferitelor substanțe, cum ar fi chihlimbarul , a produs un dezechilibru al încărcăturii electrice (fenomen triboelectric ). Grecii notează că butoanele încărcate de chihlimbar ar putea atrage obiecte ușoare precum părul. De asemenea, observă că, dacă freacă chihlimbarul suficient de mult timp, pot chiar să sclipească. Cuvântul „electricitate” derivă din „ ηλεκτρον ”, cuvântul grecesc pentru „chihlimbar”.
În secolul al XVIII- lea, studiul electricității devine popular. Se efectuează experimente electrostatice în timpul cărora, cu ajutorul dispozitivelor care acționează ca condensatori precum borcanul Leyden , sunt atinse tensiuni suficient de mari pentru a provoca contuzii. Printr-o serie de experimente (1733), intendentul lui Fay a distins două tipuri de electricitate: electricitatea vitroasă (+) și electricitatea rășinoasă (-) corespunzătoare celor două tipuri de comportament al materiei în timpul unei electrificări prin frecare.
În același timp, Benjamin Franklin își imaginează electricitatea ca un tip de fluid invizibil prezent în toată materia. Se presupune că fricțiunea suprafețelor izolante pune acest fluid în mișcare și că un flux al acestui fluid constituie un curent electric . De asemenea, el presupune că materia care conține prea puțin din acest fluid este încărcată negativ, altfel încărcată pozitiv. În mod arbitrar, cel puțin dintr-un anumit motiv necunoscut pentru noi, el identifică termenul „pozitiv” cu tipul de sarcină dobândită de o tijă de sticlă frecată pe mătase și „negativă” cu cea dobândită de o tijă de chihlimbar frecată cu blană . Poate din cauza potențialului electric al materiei.
Acum știm că modelul lui Franklin a fost prea simplu. Materia este de fapt formată din două tipuri de electricitate: particule numite „ protoni ” care poartă o sarcină electrică pozitivă și particule numite „ electroni ” care poartă o sarcină electrică negativă.
Curentul electric poate avea diverse cauze: un flux de particule încărcate negativ, de exemplu un conductor metalic sau un flux de particule pozitive sau un flux de particule pozitive și negative în direcții opuse, de exemplu într-o soluție ionică.
Pentru a reduce această complexitate, electricienii încă folosesc convenția Franklin și își imaginează curentul electric, cunoscut sub numele de „curent convențional”, ca fiind format dintr-un flux de particule exclusiv pozitive.
Curentul convențional simplifică conceptele și calculele, dar maschează faptul că în unele conductoare ( electroliți , semiconductori și plasmă ) cele două tipuri de sarcini electrice se deplasează în direcții opuse sau că în metale, sarcinile negative sunt aproape exclusiv responsabile pentru fluxul de actual.
În afară de proprietățile descrise în ceea ce privește electromagnetismul, sarcina este un invariant al teoriei relativității : o particulă de sarcină q , indiferent de viteza sa , își păstrează sarcina q .
În sistemul internațional de unități , sarcina electrică are pentru unități coulombul , simbolul C, care constituie o unitate derivată , al cărui nume provine de la cel al fizicianului francez Charles-Augustin Coulomb . Prin definiție, este cantitatea de încărcare purtată într-o secundă de un curent electric având o intensitate de un amper . Prin urmare, 1 C = 1 A s , iar sarcina electrică Q are dimensiuni [Q] = IT
În contextul industrial sau ingineresc, amper-ora ( A h , de asemenea amper-oră scrisă) sau submultiplii săi sunt folosiți în mod obișnuit în locul coulombului, de exemplu pentru a indica capacitatea unei baterii, cu 1 A h = 3600 C . Avantajul acestei unități este de a putea evalua rapid timpul de funcționare al unei baterii care furnizează un curent de o anumită intensitate, astfel încât, de exemplu, o baterie cu o capacitate de 30 A h care furnizează un curent de 1 A poate funcționa teoretic treizeci de ore, cincisprezece ore în cazul în care curentul este 2 A , etc.
Evidențiată în 1785 de fizicianul francez Charles-Augustin Coulomb, legea lui Coulomb face posibilă exprimarea forței exercitate de o sarcină electrică de valoare asupra unei alte sarcini electrice de valoare , ambele presupuse a fi punctuale și fixate în cadrul de referință d ' studiu.
Legea lui Coulomb este scrisă:
,cu:
În mod clar, dacă acuzațiile au același semn, atunci forța este respingătoare , în timp ce altfel este atractivă.
Legea lui Coulomb are o formă similară legii lui Newton pentru gravitația universală , care exprimă forța exercitată de o masă asupra unei alte mase , presupusă a fi punctuală și care este scrisă cu aceleași convenții ca mai sus:
,cu G constantă gravitațională universală, G = 6,674 08 × 10 −11 m 3 kg −1 s −2 .
Prin comparația celor două expresii, este clar că cele două forțe variază invers cu pătratul distanței, sunt ambele cu un interval infinit și că sarcina electrică joacă pentru electrostatic același rol ca și masa (gravitațională) pentru gravitația universală. .
Cu toate acestea, trebuie menționate două diferențe majore: