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.
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.
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.
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.
Niciun comentariu
Trimiteți un comentariu