Curentul electric într-un circuit electric

În paragrafele anterioare, am definit curentul ca sarcina care curge printr-o zonă de secțiune transversală pe unitatea de timp. Pentru ca sarcina să circule printr-un aparat, cum ar fi farul prezentat în Figura 9.5, trebuie să existe o cale completă (sau circuit) de la borna pozitivă la borna negativă. Luați în considerare un circuit simplu al bateriei unei mașini, un comutator, un far și fire care asigură o cale de curent între componente. Pentru ca lampa să se aprindă, trebuie să existe o cale completă pentru fluxul de curent. Cu alte cuvinte, o sarcină trebuie să poată părăsi borna pozitivă a bateriei, să călătorească prin componentă și înapoi la borna negativă a bateriei. Comutatorul este acolo pentru a controla circuitul. Partea (a) a figurii prezintă circuitul simplu al bateriei de mașină, un comutator, o cale conducătoare și un far. De asemenea, este prezentată schema circuitului [partea (b)]. O schemă este o reprezentare grafică a unui circuit și este foarte utilă în vizualizarea principalelor caracteristici ale unui circuit. Schemele folosesc simboluri standardizate pentru a reprezenta componentele dintr-un circuit și linii continue pentru a reprezenta firele care conectează componentele. Bateria este prezentată ca o serie de linii lungi și scurte, reprezentând pila voltaică istoric. Farul este prezentată ca un cerc cu o buclă în interior, reprezentând filamentul unui bec incandescent. Comutatorul este prezentat ca două puncte cu o bară conductoare pentru a conecta cele două puncte, iar firele care conectează componentele sunt prezentate ca linii continue. Schema din partea (c) arată direcția fluxului de curent atunci când comutatorul este închis.

Figura 9.5 (a) Un circuit electric simplu al unui far (lampă), a unei baterii și a unui comutator. Când comutatorul este închis, o cale neîntreruptă pentru trecerea curentului este furnizată de fire conductoare care conectează o sarcină la bornele unei baterii. (b) În această schemă, bateria este reprezentată de linii paralele, care seamănă cu plăci în designul original al unei baterii. Liniile mai lungi indică terminalul pozitiv. Firele conductoare sunt prezentate ca linii continue. Comutatorul este prezentat, în poziția deschis, ca două borne cu o linie reprezentând o bară conductoare care poate face contact între cele două borne. Lampa este reprezentată de un cerc care cuprinde un filament, așa cum s-ar vedea într-un bec cu incandescență. (c) Când întrerupătorul este închis, circuitul este complet și curentul curge de la borna pozitivă la borna negativă a bateriei.

Când comutatorul este închis în Figura 9.5(c), există o cale completă pentru ca sarcinile să circule, de la borna pozitivă a bateriei, prin comutator, apoi prin far și înapoi la borna negativă a bateriei. Rețineți că direcția fluxului de curent este de la pozitiv la negativ. Direcția curentului convențional este întotdeauna reprezentată în direcția în care ar curge sarcina pozitivă, de la borna pozitivă la borna negativă.

Curentul convențional curge de la borna pozitivă la borna negativă, dar, în funcție de situația reală, se pot deplasa sarcini pozitive, sarcini negative sau ambele. În firele metalice, de exemplu, curentul este transportat de electroni, adică sarcinile negative se mișcă. În soluțiile ionice, cum ar fi apa sărată, atât sarcinile pozitive, cât și cele negative se mișcă. Acest lucru este valabil și pentru celulele nervoase. Un generator Van de Graaff, folosit pentru cercetarea nucleară, poate produce un curent de sarcini pure pozitive, cum ar fi protonii. În Acceleratorul Tevatron de la Fermilab, înainte de a fi închis în 2011, s-au ciocnit fascicule de protoni și antiprotoni care călătoreau în direcții opuse. Protonii sunt pozitivi și, prin urmare, curentul lor este în aceeași direcție în care se deplasează. Antiprotonii sunt încărcați negativ și, prin urmare, curentul lor este în direcția opusă în care se deplasează particulele reale.

O privire mai atentă asupra curentului care curge printr-un fir este prezentată în Figura 9.6. Figura ilustrează mișcarea particulelor încărcate care compun un curent. Faptul că curentul convențional este considerat a fi în direcția în care ar curge sarcina pozitivă poate fi urmărit până la omul de știință și om de stat american Benjamin Franklin în anii 1700. Neavând cunoștințe despre particulele care alcătuiesc atomul (și anume protonul, electronul și neutronul), Franklin credea că curentul electric curgea dintr-un material care avea mai mult „fluid electric” și către un material care avea mai puțin din acest „fluid electric”. El a inventat termenul pozitiv pentru materialul care avea mai mult din acest fluid electric și negativ pentru materialul căruia îi lipsește fluidul electric. El a presupus că curentul va curge din materialul cu mai mult fluid electric – materialul pozitiv – către materialul negativ, care are mai puțin fluid electric. Franklin a numit această direcție a curentului un flux de curent pozitiv. Aceasta a fost o gândire destul de avansată pentru un om care nu știa nimic despre atom.

Figura 9.6 Curentul I este viteza cu care sarcina se deplasează printr-o zonă A, cum ar fi secțiunea transversală a unui fir. Curentul convențional este definit să se miște în direcția câmpului electric. (a) Sarcinile pozitive se deplasează în direcția câmpului electric, care este aceeași direcție cu a curentului convențional. (b) Sarcinile negative se deplasează în direcția opusă câmpului electric. Curentul convențional este în direcția opusă mișcării sarcinii negative. Fluxul de electroni este uneori denumit flux electronic.

Acum știm că un material este pozitiv dacă are un număr mai mare de protoni decât electroni și este negativ dacă are un număr mai mare de electroni decât de protoni. Într-un metal conducător, fluxul de curent se datorează în primul rând electronilor care circulă de la materialul negativ la materialul pozitiv dar, din motive istorice, considerăm fluxul de curent pozitiv și se arată că curentul curge de la borna pozitivă a bateriei la terminalul negativ.

Este important să ne dăm seama că un câmp electric este prezent în conductori și este responsabil pentru producerea curentului (Figura 9.6). În capitolele anterioare, am considerat cazul electric static, în care sarcinile dintr-un conductor se redistribuie rapid pe suprafața conductorului pentru a anula câmpul electric extern și a restabili echilibrul. În cazul unui circuit electric, sarcinile sunt împiedicate să atingă vreodată echilibrul printr-o sursă externă de potențial electric, cum ar fi o baterie. Energia necesară pentru deplasarea sarcinilor este furnizată de potențialul electric din baterie.

Deși câmpul electric este responsabil pentru mișcarea sarcinilor din conductor, lucrul mecanic efectuat asupra sarcinilor de către câmpul electric nu crește energia cinetică a sarcinilor. Vom arăta că câmpul electric este responsabil pentru menținerea sarcinilor electrice în mișcare la o „viteză de derivă”.