7. Sensul convenţional şi sensul real de deplasare al electronilor

7. Sensul convenţional şi sensul real de deplasare al electronilor

• Sensul convenţional de deplasare al electronilor: de la borna pozitivă (+) la borna negativă (-) • Sensul real de deplasare al electron... 4/12/2016

• Sensul convenţional de deplasare al electronilor: de la borna pozitivă (+) la borna negativă (-)

• Sensul real de deplasare al electronilor: de la borna negativă (-) la borna pozitivă (+)

• Pe tot parcursul cărţii se va folosi notaţia reală de deplasare a electronilor prin circuit, şi anume, de la (-) la (+)

Purtătorii sarcinii electrice

Când Benjamin Franklin a presupus direcţia de curgere a sarcinii electrice (de pe parafină spre lână), a creat un precedent în notaţiile electrice ce există până în zilele noastre, în ciuda faptului că acum se ştie că electronii sunt purtătorii de sarcină electrică, şi că aceştia se deplasează de pe lână pe parafină - nu invers - atunci când aceste două materiale sunt frecate unul de celalalt. Din această cauză spunem că electronii posedă o sarcină electrică negativă deoarece Franklin a presupus că sarcina electrică se deplasează în direcţia contrară faţă de cea reală. Prin urmare, obiectele pe care el le-a numit „negative” (reprezentând un deficit de sarcină) au de fapt un surplus de electroni.

Termenii de „pozitiv” şi „negativ” sunt pure convenţii tehnice

În momentul în care a fost descoperită adevărata direcţie de deplasare a electronilor, nomenclatura „pozitiv” şi „negativ” era atât de bine stabilită în comunitatea ştiinţifică încât nu a fost făcut niciun efort spre modificarea ei, deşi numirea electronilor „pozitivi” ar fi mult mai potrivită ca şi purtători de sarcină în „exces”. Trebuie să realizăm că termenii de „pozitiv” şi „negativ” sunt invenţii ale oamenilor, şi nu au nici cea mai mică însemnătate dincolo de convenţiile noastre de limbaj şi descriere ştiinţifică. Franklin s-ar fi putut foarte bine referi la un surplus de sarcină cu termenul „negru” şi o deficienţă cu termenul „alb” (sau chiar invers), caz în care oamenii de ştiinţă ar considera acum electronii ca având o sarcină „albă” (sau „neagră”, în funcţie de alegerea făcută iniţial).

Sensul convenţional de deplasare al electronilor

Datorită faptului că tindem să asociem termenul de „pozitiv” cu un „surplus”, şi termenul „negativ” cu o „deficienţă”, standardul tehnic pentru denumirea sarcinii electronilor pare să fie chiar invers. Datorită acestui lucru, mulţi ingineri se decid să menţină vechiul concept al electricităţii, unde „pozitiv” înseamnă un surplus de sarcină, şi notează curgerea curentului în acest fel. Această notaţie a devenit cunoscută sub denumirea de sensul convenţional de deplasare al electronilor. În această situaţie, sarcinile electrice se deplasează de la terminalul pozitiv (+) la terminalul negativ (-).

Sensul real de deplasare al electronilor

Alţii aleg să descrie deplasarea sarcinii exact aşa cum se realizează ea din punct de vedere fizic într-un circuit. Această notaţia a devenit cunoscută sub numele de sensul real de deplasare al electronilor. În această situaţie, sarcinile electrice se deplasează dinspre „-” (surplus de electroni) spre „+” (deficienţă de electroni).

Atenţie, pentru tot restul cărţii se va folosi notaţia reală de deplasare a electronilor !!!

Rezultatul analizei circuitelor este acelaşi indiferent de notaţia folosită

În cazul sensului convenţional de deplasare al electronilor, deplasarea sarcinii electrice este indicată prin denumirile (tehnic incorecte) de + şi -. În acest fel aceste denumiri au sens, dar direcţia de deplasare a sarcinii este incorectă. În cazul sensului real de deplasare al electronilor, urmărim deplasarea reală a electronilor prin circuit, dar denumirile de + şi - sunt puse invers. Contează chiar aşa de mult modul în care punem aceste etichete într-un circuit? Nu, atâta timp cât folosim aceeaşi notaţie peste tot. Putem folosi direcţia imaginată de Franklin a curgerii electronilor (convenţională) sau cea efectivă (reală) cu aceleaşi rezultate din punct de vedere al analizei circuitului. Conceptele de tensiune, curent, rezistenţă, continuitate şi chiar elemente matematice precum legea lui Ohm sau legile lui Kirchhoff, sunt la fel de valide oricare notaţie am folosi-o. 

Notaţia convenţională este folosită de majoritatea inginerilor şi ilustrată în majoritatea cărţilor de inginerie. Notaţia reală este cel mai adesea întâlnita în textele introductive (aceste, de exemplu) şi în scrierile oamenilor de ştiinţă, în special în cazul celor ce studiază fizica materialelor solide pentru că ei sunt interesaţi de deplasarea reală a electronilor în substanţe. Aceste preferinţe sunt culturale, în sensul că unele grupuri de oameni au găsit avantaje notării curgerii curentului fie real fie convenţional. Prin faptul că majoritatea analizelor circuitelor electrice nu depinde de o descriere exactă din punct de vedere tehnic a deplasării electronilor, alegerea dintre cele două notaţii este (aproape) arbitrară.

Dispozitive polarizate şi dispozitive nepolarizate

Multe dispozitive electrice suportă curenţi electrici în ambele direcţii fără nicio diferenţă de funcţionare. Becurile cu incandescenţă, de exemplu, produc lumină cu aceeaşi eficienţa indiferent de sensul de parcurgere al curentului prin ele. Funcţionează chiar foarte bine în curent alternativ, acolo unde direcţia se modifică rapid în timp. Conductorii şi întrerupătoarele sunt de asemenea exemple din această categorie. Termenul tehnic pentru această „indiferenţă” la curgere este de dispozitive nepolarizate. Invers, orice dispozitive ce funcţionează diferit în funcţie de direcţia curentului se numesc dispozitive polarizate. 

Există multe astfel de dispozitive polarizate folosite în circuitele electrice. Multe dintre ele sunt realizate din substanţe denumite semiconductoare. Ca şi în cazul întrerupătoarelor, becurilor sau bateriilor, fiecare din aceste dispozitive este reprezentat grafic de un simbol unic. Simbolurile dispozitivelor polarizate conţin de obicei o săgeată, undeva în reprezentarea lor, pentru a desemna sensul preferat sau unic al direcţiei curentului. În acest caz, notaţia convenţională şi cea reală contează cu adevărat. Deoarece inginerii din trecut au adoptat notaţia convenţională ca şi standard, şi pentru că inginerii sunt cei care au inventat dispozitivele electrice şi simbolurile lor, săgeţile folosit în aceste reprezentări, indică sensul convenţional de deplasare al electronilor, şi nu cel real. Ce vrem să spunem este că toate aceste dispozitive nu indică în simbolurile lor deplasarea reală a electronilor prin ele.

Probabil că cel mai bun exemplu de dispozitiv polarizat o reprezintă dioda.

O diodă este o „valvă” electrică cu sens unic. Ideal, dioda oferă deplasare liberă electronilor într-o singură direcţie (rezistenţă foarte mică), dar previne deplasarea electronilor în direcţia opusă (rezistenţă infinită). Simbolul folosit este cel alăturat.

Introdusă într-un circuit cu o baterie şi un bec, se comportă astfel:

Când dioda este plasată în direcţia curgerii curentului, becul se aprinde. Altfel, dioda blochează curgerea electronilor precum oricare altă întrerupere din circuit, iar becul nu va lumina.

Notaţia convenţională

Dacă folosim notaţia convenţională, săgeata diodei este foarte uşor de înţeles: triunghiul este aşezat în direcţia de curgere a curentului, de la pozitiv spre negativ.

Notaţia reală

Pe de altă parte, dacă folosim notaţia reală de deplasare a electronilor prin circuit, săgeata diodei pare aşezată invers.

Din acest motiv simplu, mulţi oameni tind să folosească notaţia convenţională atunci când reprezintă direcţia sarcinii electrice prin circuit. Dispozitivele semiconductoare precum diodele sunt mai uşor de înţeles astfel în cadrul unui circuit. Totuşi, unii aleg să folosească notaţia reală pentru a nu trebui să-şi reamintească lor însuşi de fiecare data faptul că electronii se deplasează de fapt în direcţia opusă, atunci când această direcţie de deplasare devine importantă dintr-un oarecare motiv.

6. Tensiunea şi curentul într-un circuit practic

6. Tensiunea şi curentul într-un circuit practic

Curentul într-un circuit simplu este acelaşi în oricare punct, dar tensiunea nu Deoarece este nevoie de energie pentru a forţa electron... 4/12/2016

Curentul într-un circuit simplu este acelaşi în oricare punct, dar tensiunea nu

Deoarece este nevoie de energie pentru a forţa electronii să se deplaseze împotriva opoziţiei unei rezistenţe, va exista întotdeauna o tensiune electrică între oricare două puncte ale unui circuit ce posedă rezistenţă. Este important de ţinut minte că, deşi cantitatea de curent (cantitatea de electroni ce se deplasează într-un anumit loc în fiecare secundă) este uniformă într-un circuit simplu, cantitatea de tensiune electrică (energia potenţială pe unitate de sarcină) între diferite seturi de puncte dintr-un singur circuit poate varia considerabil.

Să luăm acest circuit ca şi exemplu. Dacă luăm patru puncte din acest circuit (1, 2, 3 şi 4), vom descoperi că valoarea curentului ce trece prin fir între punctele 1 şi 2 este exact aceeaşi cu valoarea curentului ce trece prin bec între punctele 2 şi 3. aceeaşi cantitate de curent trece prin fir şi între punctele 3 şi 4, precum şi prin baterie între punctele 1 şi 4.

Dar vom descoperi că tensiunea ce apare între oricare două puncte din acest circuit, este direct proporţională cu rezistenţa prezentă între cele două puncte, atunci când curentul este acelaşi în întregul circuit (în acest caz, el este). Într-un circuit normal precum cel de mai sus, rezistenţa becului va fi mult mai mare decât rezistenţa firelor conductoare, prin urmare ar trebui să vedem o cantitate substanţială de tensiune între punctele 2 şi 3, şi foarte puţină între punctele 1 şi 2, sau între 3 şi 4. Desigur, tensiunea dintre punctele 1 şi 4 va fi întreaga „forţă” oferită de baterie, şi va fi doar cu foarte puţin mai mare decât tensiune dintre punctele 2 şi 3 (bec).

Putem aduce din nou în discuţie analogia rezervorului de apă:

Între punctele 2 şi 3, acolo unde apa ce cade eliberează energie asupra roţii, există o diferenţă de presiune, reflectând opoziţia roţii la trecerea apei. Din punctul 1 în punctul 2, sau din punctul 3 la punctul 4, acolo unde apa curge liberă prin rezervor şi bazin întâmpinând o rezistenţă extrem de scăzută, nu există o diferenţă de presiune (nu există energie potenţială).

Totuşi, rata de curgere a apei prin acest sistem continuu este aceeaşi peste tot (presupunând că nivelul apei din rezervor şi bazin nu se schimbă): prin pompă, prin roată şi prin toate ţevile. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul circuitelor electrice simple: rata de curgere a electronilor este aceeaşi în oricare punct al circuitului, cu toate că tensiunile pot varia între diferite seturi de puncte.

5. Rezistenţa electrică

5. Rezistenţa electrică

• Rezistenţa electrică reprezintă opoziţia faţă de curentul electric • Un scurt circuit reprezintă un circuit electric ce oferă o reziste... 4/12/2016

• Rezistenţa electrică reprezintă opoziţia faţă de curentul electric

• Un scurt circuit reprezintă un circuit electric ce oferă o rezistenţă foarte scăzută curgerii electronilor (sau deloc). Scurt circuitele sunt periculoase în cazul surselor de tensiune înaltă datorită curenţilor intenşi ce pot cauză eliberarea unei cantităţi mari de energie sub formă de căldură

• Un circuit deschis este un circuit electric ce nu are continuitate, prin urmare nu există o cale pe care electronii să o poată urma

• Un circuit închis este un circuit electric complet, continuu, cu un drum pe care electronii îl pot urma

• Termenii deschis şi închis se referă atât la întrerupătoare cât şi la întregul circuit. Un întrerupător deschis este un întrerupător fără continuitate: electronii nu se pot deplasa prin el. Un întrerupător închis este un întrerupător ce oferă un drum direct, cu o rezistenţă scăzută, electronilor pentru curgere. 

Rezistenţa şi rezistorul sunt doi termeni diferiţi

Este foarte uşor să confundăm termenii de rezistenţă şi rezistor. Rezistenţa reprezintă opoziţia faţă de curentul electric, iar rezistorul este un dispozitiv fizic utilizat în circuitele electrice. Este adevărat, rezistorii posedă rezistenţă electrică, dar trebuie să înţelegem că cei doi termeni nu sunt echivalenţi!

Scurt-circuitul

Circuitele prezentate în capitolele precedente nu sunt foarte practice. De fapt, conectarea directă a polilor unei surse de tensiune electrică cu un singur fir conductor este chiar periculoasă. Motivul pentru care acest lucru este periculos se datorează amplitudinii (mărimii) curentului electric ce poate atinge valori foarte mari într-un astfel de scurt-circuit, iar eliberarea energiei extrem de dramatică (de obicei sub formă de căldură). Uzual, circuitele electrice sunt construite pentru a folosi energia eliberată într-un mod practic, cât mai în siguranţă posibil. Evitaţi conectarea directă a polilor surselor de alimentare!

Utilizarea practică a energiei electrice

O utilizare practică şi populară a curentului electric este iluminatul electric (artificial). Cea mai simplă formă a lămpii electrice îl reprezintă un „filament” introdus într-un balon transparent de sticlă ce dă o lumină albă-caldă („incandescenţă”) atunci când este parcurs de un curent electric suficient de mare.

Ca şi bateria, becul are două puncte de contact electric, unul pentru intrarea electronilor, celălalt pentru ieşirea lor. Conectată la o sursă de tensiune, o lampă electrică arată precum în circuitul alăturat.

Opoziţia faţă de trecerea electronilor prin conductori poartă numele de rezistenţă.

Atunci când electronii ajung la filamentul din material conductor subţire al lămpii, aceştia întâmpină o rezistenţă mult mai mare la deplasare faţă de cea întâmpinată în mod normal în fir. Această opoziţie a trecerii curentului electric depinde de tipul de material, aria secţiunii transversale şi temperatura acestuia. Termenul tehnic ce desemnează această opoziţie se numeşte rezistenţă. (Spunem că dielectricii au o rezistenţă foarte mare şi conductorii o rezistenţă mică). 

Rolul acestei rezistenţe este de limitare a curentului electric prin circuit dată fiind valoarea tensiunii produsă de baterie, prin comparaţie cu „scurt circuitul” în care nu am avut decât un simplu fir conectat între cele două capete (tehnic, borne) ale sursei de tensiune (baterie).

Disiparea energiei sub formă de căldură

Atunci când electronii se deplasează împotriva rezistenţei se generează „frecare”. La fel ca în cazul frecării mecanice, şi cea produsă de curgerea electronilor împotriva unei rezistenţe se manifestă sub formă de căldură. Rezultatul concentrării rezistenţei filamentului lămpii pe o suprafaţă restrânsă este disiparea unei cantităţi relativ mari de energie sub formă de căldură, energie necesară pentru „aprinderea” filamentului, ce produce astfel lumină, în timp ce firele care realizează conexiunea lămpii la baterie (de o rezistenţă mult mai mică) abia dacă se încălzesc în timpul conducerii curentului electric.

Ca şi în cazul scurt circuitului, dacă continuitatea circuitului este întreruptă în oricare punct, curgerea electronilor va înceta prin întreg circuitul. Cu o lampă conectată la acest circuit, acest lucru înseamnă că aceasta va înceta să mai lumineze.

Circuitul deschis şi circuitul închis

Ca şi înainte, fără existenţa curentului (curgerii electronilor), întregul potenţial (tensiune) al bateriei este disponibil la locul întreruperii, aşteptând ca o conexiune să „astupe” întreruperea, permiţând din nou curgerea electronilor. Această situaţie este cunoscută sub denumirea de circuit deschis, o întrerupere a continuităţii circuitului ce întrerupe curentul în întreg circuitul. Este suficientă o singură „deschidere” a circuitului pentru a întrerupe curentul electric în întreg circuitul. După ce toate întreruperile au fost „astupate” iar continuitatea circuitului restabilită, acum circuitul poate fi denumit circuit închis.

Întrerupătorul electric

Ceea ce observăm aici se regăseşte în principiul pornirii şi opririi lămpilor prin intermediul unui întrerupător. Deoarece orice întrerupere în continuitatea circuitului rezultă în oprirea curentului în întreg circuitul, putem folosi un dispozitiv creat exact pentru acest scop, denumit întrerupător, montat într-o locaţie oarecare, dar astfel încât să putem controla deplasarea electronilor prin circuit.

Acesta este modul în care întrerupătorul poate controla becul din cameră. Întrerupătorul însuşi constă dintr-o pereche de contacte metalice acţionate de un buton sau de un braţ mecanic. Când contactele se ating, electronii se vor deplasa dintr-un capăt în celălalt al circuitului iar continuitatea acestuia este restabilită (circuit/contact închis); când contactele sunt separate, curgerea electronilor este întreruptă de către izolaţia dintre contacte reprezentată în acest caz de aer, iar continuitatea circuitului este întreruptă (circuit/contact deschis).

Întrerupător închis şi întrerupător deschis

Folosind în continuare terminologia circuitelor electrice, un întrerupător ce realizează contactul între cei doi terminali ai săi crează continuitate pentru curgerea electronilor prin acesta, şi este denumit un întrerupător închis. Analog, un întrerupător ce crează o discontinuitate nu va permite electronilor să treacă, şi se numeşte un întrerupător deschis.

4. Tensiunea şi curentul

4. Tensiunea şi curentul

• Electronii pot fi „motivaţi” să se deplaseze printr-un conductor de către aceeaşi forţă prezentă în cazul electricităţii statice • Tens... 4/12/2016

• Electronii pot fi „motivaţi” să se deplaseze printr-un conductor de către aceeaşi forţă prezentă în cazul electricităţii statice

• Tensiunea

• Tensiunea, ca şi expresie a energiei potenţiale, se măsoară tot timpul între două puncte. Câteodată se mai numeşte şi cădere de tensiune este măsura energiei potenţiale specifice (energie potenţială pe unitate de sarcină electrică) dintre două puncte. În termeni non-ştiinţifici, este măsura „împingerii” disponibile pentru motivarea electronilor

• Când o sursă de tensiune este conectată la un circuit, tensiunea electrică determină o deplasare a electronilor prin acel circuit, deplasare ce poartă numele de curent

• Într-un circuit format dintr-o singură buclă, valoarea curentului este aceeaşi în oricare punct al circuitului

• Dacă un circuit ce conţine o sursă de tensiune este întrerupt, întreaga tensiune electrică se va regăsi la capetele firelor unde a avut loc întreruperea

• Căderea de tensiune desemnată prin +/- se numeşte polaritate. Este de asemenea relativă, ea depinde de ambele puncte la care se face referire.

Dezechilibrul de sarcină

Precum am menţionat mai sus, doar un drum continuu (circuit) nu este suficient pentru a putea deplasa electronii: avem de asemenea nevoie de un mijloc de „împingere” a lor prin circuit. La fel ca mărgelele dintr-un tub sau apa dintr-o ţeavă, este nevoie de o forţă de influenţă pentru a începe curgerea. În cazul electronilor, această forţă este aceeaşi ca şi în cazul electricităţii statice: forţa produsă de un dezechilibru de sarcină electrică.

Dacă luăm exemplul parafinei şi lânii frecate împreună, vedem că surplusul de electroni de pe parafină (sarcină negativă) şi deficitul de electroni de pe lână (sarcină pozitivă) crează un dezechilibru de sarcină între cele două. Acest dezechilibru se manifestă printr-o forţă de atracţie între cele două corpuri.

Dacă introducem un fir conductor între cele două corpuri încărcate din punct de vedere electric, vom observa o curgere a electronilor prin acesta datorită faptului că electronii în exces din parafină trec prin fir înapoi pe lână, restabilind dezechilibrul creat.

Dezechilibrul dintre numărul electronilor din atomii parafinei şi cei ai lânii crează o forţă între cele două materiale. Neexistând niciun drum prin care electronii se pot deplasa de pe parafină înapoi pe lână, tot ce poate face această forţă este să atragă cele două corpuri împreună. Acum că un conductor conectează cele două corpuri, această forţă va face ca electronii să se deplaseze într-o direcţie uniformă prin fir, chiar dacă numai pentru un timp foarte scurt, până în momentul în care sarcina electrică este neutralizată în această zona (restabilirea echilibrului), iar forţa dintre cele două materiale se reduce.

Stocarea energiei

Analogia rezervorului de apă

Sarcina electrică formată prin frecarea celor două materiale reprezintă stocarea unei anumite cantităţi de energie. Această energie este asemănătoare energiei înmagazinate într-un rezervor de apă aflat la înălţime, umplut cu ajutorul unei pompe dintr-un bazin aflat la un nivel mai scăzut.

Influenţa gravitaţiei asupra apei din rezervor dă naştere unei forţe ce tinde să deplaseze apa spre nivelul inferior. Dacă construim o ţeavă de la rezervor spre bazin, apa va curge sub influenţa gravitaţiei din rezervor prin ţeavă spre bazin.

Este nevoie de o anumită energie pentru pomparea apei de la un nivel inferior (bazin) la unul superior (rezervor), iar curgerea apei prin ţeavă înapoi la nivelul iniţial constituie eliberarea energiei înmagazinată prin pomparea precedentă.

Dacă apa este pompată la un nivel şi mai ridicat, va fi necesară o energie şi mai mare pentru realizarea acestui lucru, prin urmare, va fi înmagazinată o energie şi mai mare, şi de asemenea, va fi eliberată o energie mai mare decât în cazul precedent.

Cazul electronilor

Electronii nu sunt foarte diferiţi. Dacă frecăm parafina şi lâna împreună, în fapt, „pompăm” electronii de pe „nivelurile” lor normale, dând naştere unei condiţii în care există o forţă între parafină şi lână, datorită faptului că electronii încearcă să-şi recâştige vechile poziţii (şi echilibru în cadrul atomilor respectivi). Forţa de atragere a electronilor spre poziţiile originale în jurul nucleelor pozitive ale atomilor, este analoagă forţei de gravitaţie exercitată asupra apei din rezervor, forţă ce tinde să tragă apa înapoi în poziţia sa originală.

La fel precum pomparea apei la un nivel mai înalt rezultă în înmagazinare de energie, „pomparea” electronilor pentru crearea unui dezechilibru de sarcină electrică duce la înmagazinare de energie prin acel dezechilibru. Asigurarea unui drum prin care electronii să poată curge înapoi spre „nivelurile” lor originale are ca rezultat o eliberare a energiei înmagazinate, asemenea eliberării energiei în cazul rezervorului, atunci când este pus la dispoziţie un drum pe care apa poate să curgă prin intermediul unei ţevi.

Tensiunea electrică

Atunci când electronii se află într-o poziţie statică (prin analogie cu apa dintr-un rezervor), energia înmagazinată în acest caz poartă numele de energie potenţială, pentru că are posibilitatea (potenţialul) eliberării acestei energii în viitor. 

Această energie potenţială, înmagazinată sub forma unui dezechilibru de sarcină electrică capabilă să provoace deplasarea electronilor printr-un conductor, poate fi exprimată printr-un termen denumit tensiune, ceea ce tehnic se traduce prin energie potenţială pe unitate de sarcină electrică, sau ceva ce un fizician ar denumi energie potenţială specifică. Definită în contextul electricităţii statice, tensiunea electrică este măsura lucrului mecanic necesar deplasării unei sarcini unitare dintr-un loc în altul acţionând împotriva forţei ce tinde să menţină sarcinile electrice în echilibru. Din punct de vedere al surselor de putere electrică, tensiunea este cantitatea de energie potenţială disponibilă pe unitate de sarcină, pentru deplasare electronilor printr-un conductor.

Exprimarea tensiunii electrice

Deoarece tensiunea este o expresie a energiei potenţiale, reprezentând posibilitatea sau potenţialul de eliberare a energiei atunci când electronii se deplasează de pe un anumit „nivel” pe un altul, tensiunea are sens doar atunci când este exprimată între două puncte distincte.

Datorită diferenţei dintre înălţimile căderilor de apă, potenţialul de energie eliberată este mai mare prin ţeava din locaţia 2 decât cea din locaţia 1. Principiul poate fi înţeles intuitiv considerând aruncarea unei pietre de la o înălţime de un metru sau de la o înălţime de zece metri: care din ele va avea un impact mai puternic cu solul? Evident, căderea de la o înălţime mai mare implică eliberarea unei cantităţi mai mari de energie (un impact mai violent). .

Nu putem aprecia valoarea energiei înmagazinate într-un rezervor de apă prin simpla măsurare a volumului de apă: trebuie să luăm de asemenea în considerare căderea (distanţa parcursă) apei. Cantitatea de energie eliberată prin căderea unui corp depinde de distanţa dintre punctul iniţial şi cel final al corpului. În mod asemănător, energia potenţială disponibilă pentru a deplasa electronii dintr-un punct în altul depinde de aceste puncte. Prin urmare, tensiune se exprimă tot timpul ca şi o cantitate între două puncte. Este interesant de observat că modelul „căderii” unui corp de la o anumită distanţă la alta este atât de potrivit, încât de multe ori tensiune electrică dintre două puncte mai poartă numele de cădere de tensiune.

Alte modalităţi de generare a tensiunii

Tensiunea poate fi generată si prin alte mijloace decât frecare diferitelor tipuri de materiale împreună. Reacţiile chimice, energia radiantă şi influenţa magnetismului asupra conductorilor sunt câteva modalităţi prin care poate fi produsă tensiunea electrică. Ca şi exemple practice de surse de tensiune putem da bateriile, panourile solare şi generatoarele (precum „alternatorul” de sub capota automobilului). Pentru moment, nu intrăm în detalii legate de funcţionarea fiecărei dintre aceste surse - mai important acum este să înţelegem cum pot fi aplicate sursele de tensiune pentru a crea o deplasare uniformă şi continuă a electronilor prin circuit.

Conectarea surselor de tensiune în circuit

Să luăm pentru început simbolul bateriei electrice şi să construim apoi un circuit pas cu pas. Orice sursă de tensiune, incluzând bateriile, are două puncte de contact electric. În acest caz avem punctul 1 şi punctul 2 de pe desenul de mai sus. Liniile orizontale de lungimi diferite indică faptul că această sursă de tensiune este o baterie, şi mai mult, în ce direcţia va împinge tensiunea acestei bateri electronii prin circuit.

Faptul că liniile orizontale ale bateriei din simbol par să fie separate (prin urmare reprezintă o întrerupere a circuitului prin care electronii nu pot trece) nu trebuie să ne îngrijoreze: în realitate, aceste linii orizontale reprezintă plăci metalice (anod şi catod) introduse într-un lichid sau material semi-solid care nu doar conduce electronii, dar şi generează tensiunea electrică necesară împingerii lor prin circuit datorită interacţiunii acestui material cu plăcile. 

Puteţi observa cele două semne + respectiv - în imediata apropiere a simbolului bateriei. Partea negativă (-) a bateriei este tot timpul cea cu liniuţă mai scurtă, iar partea pozitivă (+) a bateriei este tot timpul capătul cu liniuţa mai lungă. Din moment ce am decis să denumim electronii ca fiind încărcaţi negativ din punct de vedere electric, partea negativă a bateriei este acel capăt ce încearcă să împingă electronii prin circuit, iar partea pozitivă este cea care încearcă să atragă electronii.

Deplasarea electronilor

Atunci când capetele „+” şi „-” ale bateriei nu sunt conectate la un circuit, va exista o tensiune electrică între aceste două puncte, dar nu va exista o deplasare a electronilor prin baterie, pentru că nu există un drum continuu prin care electronii să se poată deplasa.

Acelaşi principu se aplică şi în cazul analogiei rezervorului şi pompei de apă: fără un drum (ţeavă) înapoi spre bazin, energia înmagazinată în rezervor nu poate fi eliberată prin curgerea apei. Odată ce rezervorul este umplut complet, nu mai are loc nicio curgere, oricât de multă presiune ar genera pompa. Trebuie să există un drum complet (circuit) pentru ca apa să curgă continuu dinspre bazin spre rezervor şi înapoi în bazin.

Realizarea unui drum continuu

Putem asigura un astfel de drum pentru baterie prin conectarea unui fir dintr-un capăt al bateriei spre celălalt. Formând un circuit cu ajutorul unei bucle din material conductor, vom iniţia o deplasare continuă a electronilor în direcţia acelor de ceasornic (în acest caz particular).

Curentul electric

Atâta timp cât bateria va continua să producă tensiune electrică, iar continuitatea circuitului electric nu este întreruptă, electronii vor continua să se deplaseze în circuit. Continuând cu analogia apei printr-o ţeavă, curgerea continuă şi uniformă de electroni prin circuit poartă numele de curent. Atâta timp cât sursa de tensiune electrică continuă să „împingă” în aceeaşi direcţie, electronii vor continua să se deplaseze în aceeaşi direcţie prin circuit. Această curgere uni-direcţională a electronilor prin circuit poartă numele de curent continuu, prescurtat c.c.. În următorul volum din această serie vom analiza circuitele electrice în care deplasarea electronilor are loc alternativ, în ambele direcţii: curent alternativ, prescurtat a.c.. Dar pentru moment, vom discuta doar despre circuite de curent continuu.

Curentul electric fiind compus din electroni individuali ce se deplasează la unison printr-un conductor împingând electronii de lângă ei, precum mărgelele dintr-un tub sau apa dintr-o ţeavă, cantitatea deplasată în oricare punct din circuit este aceeaşi (circuit serie). Dacă ar fi să monitorizăm o secţiune transversală dintr-un fir într-un singur circuit, numărând electronii ce trec prin ea, am observa exact aceeaşi cantitate în unitate de timp (curent) în oricare parte a circuitului, indiferent de lungimea sau diametrul conductorului.

Întreruperea circuitului

Dacă întrerupem continuitatea circuitului în oricare punct, curentul electric se va întrerupe în întreg circuitul, iar întreaga tensiune electrică produsă de baterie se va regăsi acum la capetele firelor întrerupte, ce erau înainte conectate.

Observaţi semnele „+” şi „-” puse la capătul firelor unde a fost realizată întreruperea circuitului, şi faptul că ele corespund celor două semne „+” şi „-” adiacente capetelor bateriei. Aceste semne indică direcţia pe care tensiunea electrică o imprimă curgerii electronilor, acea direcţie potenţială ce poartă denumirea de polaritate. Ţineţi minte că tensiunea electrică se măsoară tot timpul între două puncte. Din acest motiv, polaritatea unei căderi de tensiune depinde de asemenea de cele două puncte: faptul că un punct din circuit este notat cu „+” sau „-” depinde de celălalt capăt la care face referire.

Să ne uităm la următorul circuit, în care fiecare colţ al circuitului este marcat printr-un număr de referinţă.

Continuitatea circuitului fiind întreruptă între punctele 2 şi 3, polaritatea căderii de tensiune între punctele 2 şi 3 este „-” pentru punctul 2 şi „+” pentru punctul 3. Polaritatea bateriei (1 „-” şi 4 „+”) încearcă împingerea electronilor prin circuit în sensul acelor de ceasornic din punctul 1 spre 2, 3, 4 şi înapoi la 1.

Să vedem acum ce se întâmplă dacă conectăm punctele 2 şi 3 din nou împreună, dar efectuăm o întrerupere a circuitului între punctele 3 şi 4.

Întreruperea fiind acum între punctele 3 şi 4, polaritatea căderii de tensiune între aceste două puncte este „+” pentru 4 şi „-” pentru 3. Observaţi cu atenţie faptul că semnul punctului 3 este diferit faţă de primul exemplu, acolo unde întreruperea a fost între punctele 2 şi 3 (3 a fost notat cu „+”). Este imposibil de precizat ce semn va avea punctul 3 în acest circuit, fie „+” fie „-”, deoarece polaritate, la fel ca tensiunea, nu reprezintă o caracteristică a unui singur punct, ci depinde tot timpul de două puncte distincte!

3. Circuite electrice

3. Circuite electrice

• Un circuit electric este o buclă de material conductor ce permite electronilor curgerea continuă fără început • Întreruperea unui circu... 3/29/2016

• Un circuit electric este o buclă de material conductor ce permite electronilor curgerea continuă fără început

• Întreruperea unui circuit înseamnă că elementele sale conductoarea nu mai formează un drum complet, iar curgerea continuă a electronilor nu mai poate avea loc 

• Locul întreruperii este irelevant în ceea ce priveşte capacitatea circuitului de a susţine curgerea electronilor. Orice întrerupere, oriunde în circuit împiedică curgerea electronilor prin acesta

Circuitul electric

Poate vă întrebaţi cum este posibil ca electronii să se deplaseze continuu într-o direcţie uniformă prin fire dacă nu am lua în considerare aceste Surse şi Destinaţii ipotetice. Pentru ca aceste idealizări să funcţioneze, ambele ar trebui să posede o capacitate infinită pentru a putea susţine o curgere continuă a electronilor! Folosind analogia cu mărgelele şi tubul, sursa de mărgele şi destinaţia acestora ar trebui să fie infinit de mari pentru a conţine o cantitate suficientă de mărgele necesară „curgerii” lor continue.

Răspunsul acestui paradox se regăseşte în conceptul de circuit: o buclă continuă şi neîntreruptă pentru curgerea electronilor. Dacă luăm un fir, sau mai multe fire puse cap la cap, şi îl aranjăm sub formă de buclă, astfel încât să formeze un drum continuu, curgerea uniformă a electronilor fără ajutorul surselor şi destinaţiilor ipotetice de mai sus, este posibilă.

În cadrul acestui circuit, în sensul acelor de ceasornic, fiecare electron împinge electronul din faţa lui, ce împinge electronul din faţa lui, şi aşa mai departe, precum un circuit din mărgele. astfel, putem susţine o deplasare continuă a electronilor fără a recurge la sursele şi destinaţiile infinite (surse teoretice). Tot ceea ce avem nevoie este prezenţa unei motivaţii pentru aceşti electroni, lucru ce-l vom discuta în următoarea secţiune din acest capitol.

Continuitatea circuitului asigură deplasarea electronilor

Trebuie realizat faptul că şi în acest caz, continuitatea circuitului este la fel de importantă precum în cazul firului conductor analizat mai sus. La fel ca şi în acel exemplu, orice întrerupere a circuitului opreşte curgerea (deplasarea) electronilor.

Punctul de discontinuitate din circuit este irelevant

Un principiu important de reţinut este că nu contează locul întreruperii. Orice discontinuitate din circuit va întrerupe curgerea electronilor prin întreg circuitul. O curgere continuă a electronilor prin circuit poate fi realizată doar dacă există un drum (cale) continuu şi neîntrerupt printr-un material conductor prin care aceştia să se poată deplasa.

2. Conductori, dielectrici şi deplasarea electronilor

2. Conductori, dielectrici şi deplasarea electronilor

• În conductori, electronii din învelişurile superioare ale atomilor se pot deplasa cu uşurinţă, iar aceştia sunt denumiţi electroni liberi... 3/29/2016

• În conductori, electronii din învelişurile superioare ale atomilor se pot deplasa cu uşurinţă, iar aceştia sunt denumiţi electroni liberi

• În dielectrici, electronii din învelişurile superioare nu au aceeaşi libertate de mişcare

• Toate metalele sunt conductoare din punct de vedere electric

• Electricitatea dinamică, sau curentul electric, reprezintă mişcarea uniformă a electronilor printr-un conductor.

• Electricitatea statică este imobilă (în cazul unui dielectric), sarcină electrică fiind acumulată fie printr-un exces sau o deficienţa de electroni dintr-un corp. De obicei este formată prin separare de sarcină atunci când două obiecte sunt aduse în contact şi apoi despărţite

• Pentru ca electronii să curgă continuu (la nesfârşit) printr-un conductor, este necesară existenţă unui drum complet şi neîntrerupt pentru a facilita atât intrarea cât şi ieşirea electronilor din acel conductor

Conductivitatea electrică a materialelor

Electronii diferitelor tipuri de atomi posedă grade diferite de libertate. În cazul unor tipuri de materiale, precum metalele, electronii de la marginea atomilor prezintă legături atât de slabe încât se deplasează haotic în spaţiul dintre atomii materialului respectiv sub simpla influenţă a temperaturii camerei. Pentru că aceşti electroni practic nelegaţi sunt liberi să-şi părăsească atomii şi să plutească în spaţiul dintre atomii învecinaţi, sunt adesea denumiţi electroni liberi. 

În alte tipuri de materiale, precum sticla, electronii atomilor au o libertate de mişcare foarte restrânsă. Chiar dacă forţe exterioare, precum frecarea fizică a materialului, pot forţa o parte din aceşti electroni să-şi părăsească atomii respectivi pentru a ajunge pe atomii unui alt material, aceştia nu se mişcă totuşi foarte uşor între atomii aceluiaşi material.

Materiale conductoare şi materiale dielectrice

Această mobilitate a electronilor în cadrul unui material poartă numele de conductivitate. Conductivitatea este determinată de tipul atomilor existenţi într-un material (numărul protonilor din nucleul atomului determinându-i identitatea chimică) şi modul în care atomii sunt legaţi unul de celălalt. Materialele cu o mobilitate ridicată a electronilor (mulţi electroni liberi) se numesc conductoare, pe când materialele cu o mobilitate scăzută a electronilor (puţini electroni liberi sau deloc) se numesc dielectrice (materiale izolatoare). 

Câteva exemple comune de conductori şi dielectrici: 

Conductori: argint, cupru, aur, aluminiu, fier, oţel, alamă, bronz, mercur, grafit, apă murdară, beton Dielectrici: sticlă, cauciuc, ulei, asfalt, fibră de sticlă, porţelan, ceramică, cuarţ, bumbac, hârtie (uscată), plastic, aer, diamant, apă pură 

Trebuie înţeles faptul că nu toate materialele conductoare au acelaşi nivel de conductivitate, şi nu toţi dielectricii impun o rezistenţă egală mişcării electronilor. Conductivitatea electrică este analoagă transparenţei materialelor la lumină: materialele ce „conduc” cu uşurinţă lumina se numesc „transparente”, pe când cele ce nu o fac, se numesc „opace”. Dar, nu toate materialele transparent conduc lumina în aceeaşi măsură. Sticla de geam este mai bună decât majoritatea materialelor plastice, şi cu siguranţă mai bună decât fibra de sticlă „curată”. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul conductorilor electrici.

De exemplu, argintul este cel mai bun conductor din această listă, oferind o trecere mai uşoară electronilor precum niciun alt material enumerat nu o face. Apa murdară şi betonul sunt şi ele trecute ca şi materiale conductoare, dar acestea sunt mult sub nivelul oricărui metal din punct de vedere al conductivităţii.

Factori ce influenţează conductivitatea electrică

Dimensiunea fizică afectează de asemenea conductivitatea. De exemplu, dacă luăm două fâşii din acelaşi material conductiv - una subţire, alta groasă - cea groasă se va dovedi un conductor mai bun decât cea subţire la o aceeaşi lungime. Dacă luăm o altă pereche de fâşii - de data aceasta amândouă cu aceeaşi grosime, dar una mai scurtă decât cealaltă - cea scurtă va oferi o trecere mai uşoară a electronilor faţă de cea lungă. Acest lucru este analog curgerii apei printr-o ţeavă: o ţeavă groasă oferă o trecere mai uşoară decât una subţire, iar o ţeavă scurtă este mai uşor de parcurs de apă decât o ţeavă lungă, toate celelalte dimensiuni fiind egale. 

Trebuie de asemenea înţeles faptul că unele materiale îşi modifică proprietăţile electrice în diferite situaţii. De exemplu, sticla este un foarte bun dielectric la temperatura camerei, dar devine conductoare atunci când este încălzită la o temperatură foarte înaltă. Gaze precum aerul, în mod normal materiale dielectrice, devin de asemenea conductoare atunci când sunt aduse la temperaturi foarte ridicate. Majoritatea metalelor devin conductoare mai slabe atunci când sunt încălzite, şi mai bune atunci când sunt răcite. Multe materiale conductoare devin conductoare perfecte (fenomenul poartă denumirea de supraconductivitate) la temperaturi extrem de scăzute.

Deplasarea electronilor poartă numele de curent electric

Deşi în mod normal deplasarea electronilor „liberi” dintr-un conductor este aleatoare, fără vreo direcţie sau viteză particulară, electronii pot fi influenţaţi să se deplaseze într-un mod coordonat printr-un material conductor. Această deplasare uniformă a electronilor poartă denumirea de electricitate, sau curent electric. Pentru a fi mai exacţi, s-ar putea numi electricitate dinamică, în contrast cu electricitatea statică, ce reprezintă o acumulare de sarcină electrică nemişcată.

Asemenea curgerii apei prin spaţiul liber al unei ţevi, electronii sunt liberi să se deplaseze prin spaţiul liber din interiorul şi dintre atomi unui conductor. Conductorul poate părea că este solid atunci când îl privim, dar ca oricare alt material compus în marea lui parte din atomi, este în mare parte gol! Analogia curgerii lichidului se potriveşte aşa de bine încât deplasarea electronilor printr-un conductor este adesea denumită curgere.

Trebuie să facem o observaţie importantă. Mişcându-se uniform printr-un conductor, fiecare electron îl împinge pe cel de lângă el, astfel încât toţi electronii se mişcă împreună precum un grup. Punctul de plecare şi cel final al mişcării unui electron printr-un conductor electric este atins practic instant, dintr-un capăt în celălalt al conductorului, chiar dacă viteza de deplasare a fiecărui electron în parte este mică. O analogie aproximativă este cea a unui tub umplut dintr-un capăt în celălalt cu mărgele.

Tubul este plin de mărgele, precum un conductor este plin de electroni liberi, pregătiţi să fie puşi în mişcare de o influenţă externă. Dacă o singură mărgea este introdusă brusc în acest tub plin prin partea stângă, o alta va ieşi instant pe partea cealaltă. Chiar dacă fiecare mărgea a parcurs doar o distanţă scurtă, transferul de mişcare prin tub este practic instant (din partea stângă înspre capătul din dreapta), oricât ar fi tubul de lung. În cazul electricităţii, efectul de ansamblu dintr-un capăt în celălalt al conductorului are loc la viteza luminii. Fiecare electron în parte însă, se deplasează prin conductor la o viteza mult mai mică.

Deplasarea electronilor necesită un drum neîntrerupt

Dacă dorim ca electronii să se deplaseze pe o direcţie anume, trebuie să la punem la dispoziţie traseul respectiv, precum un instalator trebuie să instaleze conductele de apă necesare pentru aprovizionarea cu apă. În acest scop, firele sunt confecţionate din metale bune conductoarea de electricitate precum cuprul sau aluminiul, într-o mare varietatea de dimensiuni. 

Ţineţi minte că electronii se pot deplasa doar atunci când au oportunitatea de a se mişca în spaţiul dintre atomii unui material. Acest lucru înseamnă că există curent electric doar acolo unde există o traiectorie continuă din material conductor ce permite deplasarea electronilor. În analogia cu mărgelele, acestea pot fi introduse prin partea stângă a tubului (şi ieşi pe partea dreaptă), doar dacă tubul este deschis la celălalt capăt pentru a permite ieşirea mărgelelor. Dacă tubul este închis la capătul din dreapta, mărgelele se vor „aduna” în tub, iar „curgerea” lor nu va avea loc. Acelaşi lucru se poate spune despre curentul electric: curgerea continuă a curentului necesită un drum neîntrerupt pentru a permite deplasarea.

O linie subţire, continua (precum cea de sus) reprezintă simbolul convenţional pentru o porţiune continuă de fir (electric). Din moment ce firul este compus din material conductor, precum cuprul, atomii conţinuţi în acesta posedă mulţi electroni liberi ce se pot deplasa cu uşurinţă în interiorul firului. Dar, nu va exista niciodată o deplasarea continuă sau uniformă a electronilor prin acest fir dacă nu au de unde să vină şi încotro să se îndrepte.

Să presupunem prin urmare o sursă şi o destinaţie a electronilor. 

Întrucât aerul este un dielectric (material izolator), iar spaţiul dintre cele două fire este ocupat de aer, calea ce era înainte continuă, este acum întreruptă, iar electronii nu se pot deplasa de la Sursă spre Destinaţie. 

Această situaţie este asemănătoare tăierii conductei de apă în două şi astupării celor două capete: apa nupoate curge dacă nu are pe unde să iasă din ţeavă. 

În termeni electrici, atunci când firul era format dintr-o singură bucată avea condiţia de continuitate electrică, iar acum, după tăierea şi separarea firului în două, acea continuitatea este întreruptă.Acum, cu sursa împingând noi electroni pe fir prin partea stângă, curgerea electronilor prin fir este posibilă (indicată de săgeţi). Dar, această curgere va fi întreruptă în cazul în care calea formată de firul conductor este întreruptă.

Dacă ar fi să luam un alt fir ce duce spre Destinaţie şi pur şi simplu am face contact fizic cu firul ce duce spre Sursă, am avea din nou o cale continuă pentru curgerea electronilor. 

Cele două puncte din diagramă reprezintă contactul fizic (metal-metal) dintre cele două fire. Acum avem continuitate dinspre Sursă, prin noua conexiune, în jos, în dreapta, şi apoi în sus, spre Destinaţie. Acest aranjament este analog instalării unui teu într-o instalaţie de apă pentru dirijarea apei prin această nouă ţeavă, spre destinaţie. Atenţie, segmentul de fir întrerup nu conduce curent electric pentru că nu mai face parte dintr-un drum complet de la Sursă spre Destinaţie.

1. Electricitate statică

1. Electricitate statică

• Toate materialele sunt construite din blocuri denumite atomi • Toţi atomii în mediul lor natural conţin particule numite electroni, ... 3/29/2016

• Toate materialele sunt construite din blocuri denumite atomi

• Toţi atomii în mediul lor natural conţin particule numite electroni, protoni şi neutroni, cu excepţia izotopului de protiu

• Electronii au o sarcină electrică negativă (-) ) al hidrogenului

• Protonii au o sarcină electrică pozitivă (+)

• Neutronii posedă o sarcină electrică neutră

• Electronii pot fi îndepărtaţi de atomi mult mai uşor decât protonii şi neutronii

• Numărul protonilor din nucleu determină identitatea atomului ca şi element unic

Atracţia electrostatică

Cu secole în urmă, a fost descoperit faptul că anumite tipuri de materiale se atrag „misterios” după frecare. De exemplu: după frecarea unei bucăţi de mătase de o bucată de sticlă, cele două materiale vor tinde să se lipească unul de celălalt. Într-adevăr, există o forţă de atracţie

Sticla şi mătasea nu sunt singurele materiale ce se comportă astfel. Oricine s-a frecat vreodată de un balon din latex s-a confruntat cu exact acelaşi fenomen atunci când a observat că balonul tinde să se lipească de el/ea. Parafina şi mătasea sunt o altă pereche de materiale ce manifestă forţe de atracţie după frecare. ce acţionează chiar şi atunci când cele două materiale sunt separate unul de celălalt.

Acest fenomen a devenit şi mai interesant după ce a fost descoperit faptul că materialele identice se resping întotdeauna după frecare.

A fost de asemenea observat faptul că o bucată de sticlă frecată cu mătase adusă în apropierea unei bucăţi de parafină frecată în prealabil cu cu lână, conduce la fenomenul de atracţie dintre cele două materiale.

Mai mult decât atât, s-a descoperit că orice material care posedă proprietăţi de atracţie sau respingere după frecare, poate fi clasificat într-una din cele două categorii: atras de sticlă şi respins de parafină, sau respins de sticlă şi atras de parafină. Nu s-au găsit materiale care să fie atrase sau respinse atât de sticlă cât şi de parafină, sau care să reacţioneze faţă de una fără să reacţioneze faţă de cealaltă.

O atenţie sporită a fost îndreptată spre materialele folosite pentru frecare. S-a descoperit că după frecarea a două bucăţi de sticlă cu două bucăţi de mătase, atât bucăţile de sticlă cât şi bucăţile de mătase se resping reciproc Acest lucru era foarte straniu. Până la urmă, niciunul dintre aceste materiale nu era vizibil modificat în urma frecării, dar cu siguranţă se comportau diferit după frecare. Oricare ar fi fost schimbarea ce avea loc pentru a determina atracţia sau respingerea acestor materiale unul de celălalt, era una invizibilă.

Sarcina electrică

Unii experimentatori au speculat existenţa „fluidelor” invizibile ce se deplasează de pe un obiect pe celălalt în timpul frecării, şi că aceste „fluide” induc o forţă fizică pe o anumită distanţă. Charles du Fay a făcut parte din primii experimentatori ce au demonstrat existenţa categorică a două tipuri de schimbări ca urmare a frecării împreună dintre două tipuri de obiecte. Existenţa a mai mult de un singur tip de schimbare suferită de aceste materiale, era evidentă din faptul că rezultau două tipuri de forţe: atracţie şi respingere. Transferul ipotetic de fluid a devenit cunoscut sub numele de sarcină.

Sarcina electrică pozitivă şi sarcina electrică negativă

Un cercetător renumit, Benjamin Franklin, ajunge la concluzia existenţei unui singur tip de fluid ce se deplasează între obiectele frecate, şi că cele două „sarcini” diferite nu sunt decât fie un exces, fie o deficienţă din exact acelaşi fluid. După ce a experimentat cu parafină şi lână, Franklin a sugerat că lâna neprelucrată transferă o parte din acest fluid invizibil de pe parafina netedă, ducând la un exces de fluid pe lână, şi un deficit de fluid pe parafină. Diferenţa rezultată de conţinut în lichid dintre cele două obiecte ar cauza prin urmare o forţă de atracţie

Postularea existenţei unui singur „fluid” ce era fie câştigat, fie pierdut în timpul frecării, se potrivea cel mai bine comportamentului observat: că toate aceste materiale se împărţeau simplu într-una din cele două categorii atunci când erau frecate, şi cel mai important, că cele două materiale active frecate unul de celălalt se încadrau întotdeauna în categorii opuse, fapt evidenţiat de atracţia inevitabilă dintre cele două materiale. În alte cuvine, , datorită faptului că fluidul încercă să-şi recapete echilibrul existent anterior între cele două materiale. În alte cuvine, nu s-În alte cuvine, nu s-a întâmplat niciodată ca două materiale frecate unul de celălalt, să devină amândouă în acelaşi timp fie pozitive, fie negative.

După speculaţiile lui Franklin legate de îndepărtarea „fluidului” de pe parafină cu ajutorul lânii, sarcina ce avea să fie asociată cu parafina frecată a devenit cunoscută sub denumirea de negativă (pentru presupusa deficienţă de fluid), iar tipul de sarcină asociat cu lâna frecată a devenit cunoscută ca fiind pozitivă (pentru presupusul exces de fluid). Această conjunctură inocentă va cauza multe bătăi de cap celor ce vor studia electricitatea în viitor!

Unitatea de măsură a sarcinii electrice şi sarcina electrică elementară

Măsurători precise ale sarcinii electrice au fost efectuate de către fizicianul francez Charles Coulomb în anii 1780, cu ajutorul unui dispozitiv numit balanţă de torsiune, măsurând forţa generată între două obiecte încărcate din punct de vedere electric. Rezultatele muncii lui Coulomb au dus la dezvoltarea unităţii de măsură pentru sarcina electrică, şi anume Coulomb-ul. Dacă două corpuri „punctiforme” (corpuri ipotetice fără suprafaţă) sunt încărcate cu o sarcină egală de 1 Coulomb şi plasate la 1 metru distanţă, acestea ar genera o forţă de atragere (sau de respingere, în funcţie de tipul sarcinilor) de aproximativ 9 miliarde de Newtoni. Definiţia operaţională a unui Coulomb, ca şi unitate a sarcinii electrice (în termeni de forţă generată între cele două puncte încărcate cu sarcină electrică), s-a descoperit că este egală cu un exces sau o deficienţă de aproximativ 6.250.000.000.000.000.000 (6.25 x 10 la puterea 18 de electroni. Sau invers, un electron are o sarcină de aproximativ 0.00000000000000000016 Coulombi (1,6x 10 la puterea -19 ). Prin faptul că electronul este cel mai mic purtător de sarcină electrică cunoscut, această ultimă valoare a sarcinii pentru electron a fost desemnată ca sarcina electrică elementară.

Electronii şi structura atomică a materialelor

Mult mai târziu se va descoperi faptul că acest „fluid” este de fapt compus din bucăţi mici de materie numite electroni, denumiţi astfel după cuvântul antic grecesc dat chihlimbarului: un alt material ce manifestă proprietăţi electrice când este frecat de lână. Experimentele realizate de atunci au relevat faptul că toate obiectele (corpurile) sunt compuse din „blocuri” extrem de mici, denumite atomi, iar aceşti atomi la rândul lor sunt compuşi din componente şi mai mici, denumite particule.

Cele trei particule fundamentale regăsite în compoziţia majorităţii atomilor poartă denumirea de protoni, neutroni şi electroni. Deşi majoritatea atomilor sunt o compoziţie de protoni, neutroni şi electroni, nu toţi atomii au neutroni; un exemplu este izotopul de protiu al hidrogenului, ce reprezintă forma cea mai uşoară şi mai răspândită a hidrogenului, cu doar un singur proton şi un singur electron. Atomii sunt mult prea mici pentru a fi văzuţi, dar dacă am putea privi unul, ar arăta aproximativ conform figurii de mai sus.

Chiar dacă fiecare atom dintr-un material tinde să rămână o unitate, în realitate există mult spaţiu liber între electroni şi „ciorchinele” de protoni şi neutroni din mijloc.

Acest model brut este cel al carbonului, cu 6 protoni, 6 neutroni şi 6 electroni. În oricare atom, protonii şi neutronii sunt foarte strâns legaţi între ei, ceea ce reprezintă o calitatea importantă. Masa strâns legată de protoni şi neutroni din centrul unui atom poartă denumirea de nucleu, iar numărul de protoni din nucleul unui atom, determină identitatea elementului: dacă schimbăm numărul protonilor din nucleul unui atom, schimbăm implicit şi tipul atomului. Legătura strânsă a protonilor de nucleu este responsabilă de stabilitatea elementelor chimice.

Neutronii au o influenţă mult mai mică asupra caracterului chimic şi a identităţii atomului faţă de protoni, cu toate că sunt la fel de greu de scos sau adăugat din nucleu, datorită legăturii lor puternice. În cazul adăugării sau câştigării unui neutron, atomul îşi menţine aceeaşi identitate chimică, dar va avea loc o modificară uşoară a masei sale, şi ar putea dobândi proprietăţi nucleare ciudate precum radioactivitatea.

Electronii se pot deplasa liberi în interiorul atomului

Totuşi, electronii posedă o libertate de mişcare în cadrul atomului semnificativ mai mare decât cea a protonilor şi neutronilor. Aceştia pot fi mutaţi de pe poziţiile lor (sau pot chiar părăsi atomul cu totul!) de către o energie mult mai mică decât cea necesară îndepărtării particulelor din nucleu. Dacă se întâmplă acest lucru, atomul îşi păstrează proprietăţile sale chimice, dar apare un dezechilibru important. Electronii şi protonii sunt unici prin faptul că sunt atraşi unii de ceilalţi la distanţă. Este acea atracţie la distanţă responsabilă de atracţia în urma frecării corpurilor, unde electronii sunt îndepărtaţi de atomii lor originali şi ajung pe atomii unui alt corp.

Sarcina electrică netă a atomului este zero

Electronii tind să respingă alţi electroni la distanţă, precum este şi cazul protonilor cu alţi protoni. Singurul motiv pentru care protonii se atrag în nucleul atomului se datorează unei forţe mult mai puternice, numită forţă nucleară tare ce îşi face simţit efectul doar pe distanţe foarte scurte. Datorită acestui efect de atracţie/respingere între particulele individuale, spunem că electronii şi protonii au sarcini electrice opuse. Adică, fiecare electron are o sarcină negativă, şi fiecare proton are o sarcină pozitivă. În număr egal în cadrul unui atom, îşi neutralizează unul altuia prezenţa, astfel încât sarcina electrică netă a atomului este zero.

De aceea imaginea atomului de carbon are şase electroni: pentru a balansa sarcina electrică a celor şase protoni din nucleu. Dacă pleacă electroni, sau vin electroni în plus, sarcina netă a atomului va suferi un dezechilibru, lăsând atomul „încărcat” în ansamblu, şi ducând la interacţiunea acestuia cu particule sau alţi atomi încărcaţi din apropiere. Neutronii nu sunt nici atraşi dar nici respinşi de către electroni, protoni, sau alţi neutroni, prin urmare se spune că ei nu au sarcină electrică.

Frecarea materialelor şi deplasarea electronilor

Procesul de adăugare sau de îndepărtare a electronilor este exact ceea ce se întâmplă atunci când anumite combinaţii de materiale sunt frecate unele de celelalte: electronii din atomii unui material sunt forţaţi prin frecare să-şi părăsească atomii, şi să ajungă pe atomii unui alt material. Cu alte cuvinte, electronii reprezintă „fluidul” lui Benjamin Franklin despre care vorbeam mai sus.

Electricitatea statică şi eroarea lui Benjamin Franklin

Rezultatul dezechilibrului acestui „fluid” (electroni) dintre obiecte poartă numele de electricitate statică. Se numeşte „statică”, pentru că electronii mutaţi de pe un material pe altul tind să rămână staţionari. În cazul parafinei şi a lânii, s-a determinat printr-o serie de experimente, că electronii din lână sunt transferaţi pe atomii din parafină, ceea ce este exact opusul ipotezei lui Franklin! În onoarea lui Franklin, ce a desemnat sarcina parafinei ca fiind „negativă”, şi pe cea a lânii ca fiind „pozitivă”, spunem că electronii posedă o sarcină „negativă”.

Astfel, un obiect a cărui atomi au primit un surplus de electroni, se spune că este încărcat „negativ”, pe când un obiect a cărui atomi au pierdut electroni se spune că este încărcat „pozitiv”, cu toate că aceste denumiri sunt uşor de încurcat. În momentul în care a fost descoperită adevărata natură a „fluidului” electric, nomenclatura moştenită de la Franklin legată de sarcina electrică era prea adânc înrădăcinată ca să mai poată fi schimbată cu uşurinţă, prin urmare, a rămas la fel până în zilele noastre.