Electricitat
Corrent elèctric

Càrrega elèctrica

Càrrega elèctrica

Una càrrega elèctrica (la quantitat d'electricitat) és una quantitat escalar física que determina la capacitat dels cossos per ser una font de camps electromagnètics i participar en la interacció electromagnètica. La primera càrrega elèctrica es va introduir en la llei de Coulomb en 1785.

La unitat de càrrega en el Sistema Internacional d'Unitats (SI) és el Coulomb: una càrrega elèctrica que passa a través de la secció transversal d'un conductor amb un corrent d'1 A durant 1 s. La càrrega en un Coulomb és molt gran. Si es col·locaran dos portadors de càrrega (q 1 = q 2 = 1 C) en el buit a una distància d'1 m, llavors interactuarien amb una força de 9⋅10 9 H, és a dir, amb la força amb la qual la gravetat de la Terra atrau un objecte que pesa aproximadament 1 milió tones.

Fins on sabem, la càrrega elèctrica a la natura només passa en múltiples sencers de la càrrega elemental e. És igual a la càrrega del protó, i té un valor de 1,602 176 53 × 10 -19 C. L'electró té exactament la mateixa càrrega, però després negatiu. Càrregues que no són múltiples de i, només ocorren en quarks. Aquestes són partícules elementals, la càrrega és un múltiple d'e / 3, però que, a diferència dels protons i els electrons, mai s'han observat per separat.

La quantificació de la càrrega elèctrica

Si no es consideren els quarks, no s'ha descobert cap objecte amb una càrrega inferior a la de l'electró: per aquesta raó, el valor de la seva càrrega es considera la unitat fonamental de càrrega elèctrica, i totes les quantitats de càrrega són múltiples de càrrega d'electrons. No obstant això, segons el model estàndard de física, les càrregues de partícules més petites són ± i / 3, ± 2 i / 3 i ± e: per exemple, el quark descendent té càrrega - i / 3, el quark up té càrrega 2 i / 3, mentre que els seus antipartícules tenen càrregues oposades.

Els altres quarks, de major massa, tenen en qualsevol cas càrregues ± i / 3 o ± 2 i / 3. Tot i que els quarks porten una càrrega elèctrica, l'observació d'un quark lliure requereix una energia extremadament alta que recentment està a l'abast dels acceleradors de partícules, a causa de l'alta intensitat de les fortes interaccions nuclears que els mantenen units. Es creu que és possible l'existència d'un plasma de quarks i gluons lliures a aproximadament 150 GeV, aproximadament 1 × 10 12 K; els físics intenten aconseguir-ho al xocar nuclis pesants, com l'or, a energies d'aproximadament 100 GeV per nucleó.

A més de la càrrega elèctrica, també podem definir una càrrega de color, que introdueix un nombre quàntic addicional, utilitzat per descriure els quarks i gluons, juntament amb el gust, a la teoria de la cromodinàmica quàntica.

L'electró

L'electró és una partícula subatòmica que té una massa en repòs de9.109 3826 (16) × 10 -31 kg, igual a aproximadament 1/1836 de la del protó. El moment angular intrínsec, o espín, és un valor semi-sencer de 1/2 en unitats de ħ, el que fa que l'electró sigui un fermió, subjecte per tant al principi d'exclusió de Pauli. La antipartícula de l'electró és el positró, que difereix només en la càrrega elèctrica oposada; quan aquestes dues partícules xoquen poden ser difuses o aniquilades produint fotons, més precisament els raigs gamma.

La idea d'una quantitat fonamental de càrrega elèctrica va ser introduïda pel filòsof Richard Laming en 1838 per explicar les propietats químiques de l'àtom; el terme electró va ser encunyat més tard en 1894 pel físic irlandès George Johnstone Stoney, i va ser reconegut com una partícula per Joseph John Thomson i el seu grup de recerca. Més tard, el seu fill George Paget Thomson va demostrar la doble naturalesa corpuscular i ondulatoriadel electró, que després es descriu per la mecànica quàntica per mitjà del dualisme ona-partícula.

Els electrons, juntament amb els protons i els neutrons, són parts de l'estructura dels àtoms i, tot i que contribueixen menys del 0,06% a la massa total de l'àtom, són responsables de les seves propietats químiques; en particular, l'intercanvi d'electrons entre dos o més àtoms és la font de l'enllaç químic covalent.

La majoria dels electrons en l'univers van ser creats durant el Big Bang, encara que aquesta partícula pot generar-se a través de la desintegració beta dels isòtops radioactius i en col·lisions d'alta energia, mentre que pot aniquilar-gràcies a la col·lisió amb el positró i ser absorbida en Un procés de nucleosíntesi estel·lar.

En molts fenòmens físics, particularment en l'electromagnetisme i en la física de l'estat sòlid, l'electró té un paper essencial: és responsable de la conducció de corrent elèctric i calor, el seu moviment genera el camp magnètic i la variació de la seva energia és responsable de la producció de fotons.

L'adveniment de l'electrònica, d'on va néixer la informàtica, col·loca a l'electró a la base del desenvolupament tecnològic del segle XX. Les seves propietats també s'exploten en diverses aplicacions, com tubs de raigs catòdics, microscopis electrònics, radioteràpia i làser.

L'electró també pertany a la classe de partícules subatòmiques anomenades leptons, que es creu que són components fonamentals de la matèria (és a dir, no es poden descompondre en partícules més petites).

Electrostàtica

L'electrostàtica és la secció de la doctrina de l'electricitat, que estudia les interaccions i propietats dels sistemes de càrregues elèctriques que estan immòbils en relació amb el marc de referència inercial triat.

La magnitud de la càrrega elèctrica (en cas contrari, simplement una càrrega elèctrica) pot prendre valors positius i negatius; És una característica numèrica dels portadors de càrrega i els cossos carregats. Aquest valor es determina de manera que la interacció de la força transferida pel camp entre les càrregues és directament proporcional a la magnitud de les càrregues que interactuen entre si partícules o cossos, i les direccions de les forces que actuen sobre elles des del costat del camp electromagnètic depenen del signe de les càrregues.

La càrrega elèctrica de qualsevol sistema de cossos consisteix en un nombre enter de càrregues elementals igual a aproximadament 1.6⋅10 -19 C en el sistema SI o 4.8⋅10 -10 unitats. SSSE. Els portadors de càrrega elèctrica són partícules elementals carregades elèctricament. La massa més petita a la partícula lliure amb una càrrega elèctrica elemental negativa és un electró (la seva massa és 9.11⋅10 -31 kg). La antipartícula més petita estable en massa amb una càrrega elemental positivaun positró que té la mateixa massa que un electró. També hi ha una partícula estable amb una càrrega elemental positiva: un protó (la massa és 1.67⋅10 -27 kg) i altres partícules menys comuns. Es va plantejar una hipòtesi (1964) que també hi ha partícules amb una càrrega més baixa (± ⅓ i ± ⅔ de la càrrega elemental) - quarks; però, no estan aïllats a l'estat lliure (i,

La càrrega elèctrica de qualsevol partícula elemental és una quantitat invariablement relativista. No depèn del marc de referència, el que significa que no depèn de si aquesta càrrega es mou o descansa, és inherent a aquesta partícula durant tota la seva vida, per tant, les partícules carregades elementals sovint s'identifiquen amb les seves càrregues elèctriques. En general, en la naturalesa hi ha tantes càrregues negatives com positives. Les càrregues elèctriques dels àtoms i les molècules són iguals a zero, i les càrregues d'ions positius i negatius en cada cel·la de les xarxes cristal·lines de sòlids es compensen.

Voltatge i capacitat de les càrregues elèctriques

Les partícules carregades de la mateixa polaritat es repel·leixen entre si amb una força que augmenta quadràticament en disminuir la distància entre les partícules. En afegir partícules carregades a un conductor, la distància entre les partícules disminueix, de manera que es necessita més i més energia per unitat de càrrega per afegir càrrega addicional. Aquest és el potencial o voltatge d'aquest conductor, expressat en volts (V). Un conductor que pren molta càrrega per volt té una alta capacitat. Aquesta capacitat depèn naturalment de les dimensions d'aquest conductor.

S'han dissenyat construccions especials per emmagatzemar tanta càrrega com sigui possible per volt. Aquests components es diuen condensadors; fan ús de la força d'atracció entre partícules amb càrrega oposada en dos conductors estretament espaiats, per eliminar la força repulsiva de partícules amb càrrega igual dins de cada conductor.

La càrrega també es pot emmagatzemar en una esfera metàl·lica aïllada de la terra (com en el generador de vandigra). No obstant això, si la càrrega es torna massa gran, es produiran fuites a l'aire a causa de la ionització, que pot anar acompanyada d'espurnes si hi ha càrrega suficient. La quantitat màxima de càrrega (i, per tant, també el voltatge elèctric) en una esfera elèctricament conductora depèn linealment de la mida (diàmetre) d'aquesta esfera. Quan l'esfera s'engrandeix, el perill per a l'home augmenta, perquè la descàrrega pot conduir a grans corrents. Amb un corrent elèctric de més de 100 mA a través del múscul cardíac d'un ésser humà, el risc d'aturada cardíaca és alt.

Forces entre càrregues elèctriques

La llei de Coulomb expressa l'atracció o repulsió dels objectes carregats en repòs en forma de fórmula. Les càrregues elèctriques provoquen camps elèctrics, independentment del seu estat de moviment. Les forces entre càrregues estacionàries s'estudien en electrostàtica. Les càrregues elèctriques en moviment també causen un camp magnètic; dit camp es propaga a la velocitat de la llum i, al seu torn, influeix en les altres càrregues mòbils. És a dir, un camp magnètic exerceix una força Lorentz sobre una càrrega que travessa la direcció del camp, que és perpendicular tant a la direcció del camp com a la direcció del moviment. Aquesta és la causa del fenomen d'inducció., Descrit per la llei de Faraday, i també d'un efecte de compressió en els portadors de càrrega lliure amb el mateix signe movent-se en la mateixa direcció.

Tant l'atracció i la repulsió electrostàtica com la força de Lorentz estan contingudes en l'ampli equacions de Maxwell de l'electromagnetisme.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 30 de agost de 2019