Proprietățile sarcinii electrice
Pe lângă existența a două tipuri de sarcină, au fost descoperite câteva alte proprietăți ale sarcinii.
- Sarcina este cuantificată. Aceasta înseamnă că sarcina electrică vine în cantități discrete și că există o cantitate cât mai mică de sarcină pe care o poate avea un obiect. În sistemul SI, această cantitate cea mai mică este e ≡ 1,602 × 10−19 Nicio particulă liberă nu poate avea o sarcină mai mică decât aceasta și, prin urmare, sarcina oricărui obiect – sarcina tuturor obiectelor – trebuie să fie un multiplu întreg al acestei cantități. Toate obiectele macroscopice, încărcate au sarcină deoarece electronii fie au fost adăugați, fie luați din ele, rezultând o sarcină netă.
- Mărimea sarcinii este independentă de tip. Exprimat în alt mod, cea mai mică sarcină pozitivă posibilă (la patru cifre semnificative) este +1,602 × 10−19 C, iar cea mai mică sarcină negativă posibilă este -1,602 × 10−19 C; aceste valori sunt exact egale. Pur și simplu, așa s-au dovedit legile fizicii din universul nostru.
- Sarcina este conservată. Sarcina nu poate fi nici creată, nici distrusă; ea poate fi transferată doar din loc în loc, de la un obiect la altul. Frecvent, vorbim de două sarcini de „care se anulează”; aceasta este expresia verbală. Înseamnă că dacă două obiecte care au sarcini egale și opuse sunt fizic aproape una de cealaltă, atunci forțele (direcționate opus) pe care le aplică asupra unui alt obiect încărcat se anulează, pentru o forță netă zero. Este important să înțelegeți că sarcinile de pe obiecte nu dispar în niciun caz. Sarcina netă a universului este constantă.
- Sarcina este conservată în sisteme închise. În principiu, dacă o sarcină negativă ar dispărea de pe bancul de laborator și ar reapărea pe Lună, conservarea sarcinii ar rămâne în continuare. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă niciodată. Dacă sarcina totală pe care o aveți în sistemul local de pe bancul de laborator se modifică, va exista un flux măsurabil de sarcini în sau în afara sistemului. Din nou, sarcinile se pot muta și se mișcă, iar efectele lor se pot anula și se anulează, dar sarcina netă din mediul dvs. local (dacă este închis) este conservată. Ultimele două elemente sunt ambele denumite legea conservării sarcinii.
Sursa sarcinilor: structura atomului
Odată ce a devenit clar că toată materia era compusă din particule care au ajuns să fie numite atomi, a devenit rapid clar și că constituenții atomului includ atât particule încărcate pozitiv, cât și particule încărcate negativ. Următoarea întrebare a fost, care sunt proprietățile fizice ale acelor particule încărcate electric?
Particula încărcată negativ a fost prima care a fost descoperită. În 1897, fizicianul englez J. J. Thomson studia ceea ce atunci era cunoscut sub numele de raze catodice. Cu câțiva ani înainte, fizicianul englez William Crookes a arătat că aceste „raze” erau încărcate negativ, dar experimentele sale nu au putut spune mai mult de atât. (Faptul că au o sarcină electrică negativă era o dovadă puternică a faptului că acestea nu erau deloc raze, ci particule.) Thomson a pregătit un fascicul pur al acestor particule și l-a trimis prin câmpuri electrice și magnetice încrucișate și a ajustat diferitele intensități ale câmpului până când deformarea netă a fasciculului a fost zero. Cu acest experiment, el a putut determina raportul sarcină-masă al particulei. Acest raport a arătat că masa particulei era mult mai mică decât a oricărei alte particule cunoscute anterior – de 1837 de ori mai mică, de fapt. În cele din urmă, această particulă a ajuns să fie numită electron.
Întrucât atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, următoarea întrebare a fost să se determine cum sunt distribuite sarcinile pozitive și negative în interiorul atomului. Thomson însuși și-a imaginat că electronii săi erau încorporați într-un fel de pastă încărcată pozitiv, întinsă pe tot volumul atomului (modelul cozonacului cu stafide). Cu toate acestea, în 1908, fizicianul neozeelandez Ernest Rutherford a arătat că sarcinile pozitive ale atomului existau într-un nucleu minuscul – numit nucleu – care ocupa doar o foarte mică parte din volumul total al atomului, dar deținea peste 99% din masă. (Vezi Momentul liniar și coliziunile.) În plus, el a arătat că electronii încărcați negativ orbitau permanent în jurul acestui nucleu, formând un fel de nor încărcat electric care înconjoară nucleul (Figura 5.7). Rutherford a concluzionat că nucleul este construit din particule mici, masive, pe care le-a numit protoni.
Figura 5.7 Acest model simplificat al unui atom de hidrogen prezintă un nucleu încărcat pozitiv (constând, în cazul hidrogenului, dintr-un singur proton), înconjurat de un „nor” de electroni. Sarcina norului de electroni este egală (și opusă ca semn) cu sarcina nucleului, dar electronul nu are o locație definită în spațiu; prin urmare, reprezentarea sa aici este ca un nor. Cantitățile macroscopice normale de materie conțin un număr imens de atomi și molecule și, prin urmare, un număr și mai mare de sarcini individuale negative și pozitive.
Deoarece se știa că diferiți atomi au mase diferite și că, de obicei, atomii sunt neutri din punct de vedere electric, era firesc să presupunem că diferiți atomi au un număr diferit de protoni în nucleul lor, cu un număr egal de electroni încărcați negativ orbitând în jurul nucleului încărcat pozitiv, făcând astfel atomii în general neutri din punct de vedere electric. Cu toate acestea, s-a descoperit curând că, deși cel mai ușor atom, hidrogenul, avea într-adevăr un singur proton ca nucleu, următorul cel mai greu atom – heliul – are de două ori mai mulți protoni (doi), dar de patru ori masa hidrogenului.
Acest mister a fost rezolvat în 1932 de către fizicianul englez James Chadwick, odată cu descoperirea neutronului. Neutronul este, în esență, un geamăn neutru din punct de vedere electric al protonului, fără sarcină electrică, dar cu masă (aproape) identică cu protonul. Prin urmare, nucleul de heliu are doi neutroni împreună cu cei doi protoni ai săi. (Experimentele ulterioare urmau să arate că, deși neutronul este neutru din punct de vedere electric în general, are o structură internă de sarcină. În plus, deși masele neutronului și protonului sunt aproape egale, ele nu sunt exact egale: masa neutronului este foarte puțin mai mare decât masa protonului. Acest mic exces de masă s-a dovedit a fi de mare importanță. Aceasta, totuși, este o poveste care va trebui să aștepte până la studiul nostru al fizicii moderne în Fizica nucleară.)
Astfel, în 1932, imaginea atomului era a unui nucleu mic, masiv, construit dintr-o combinație de protoni și neutroni, înconjurat de o colecție de electroni a căror mișcare combinată forma un fel de „nor” încărcat negativ în jurul nucleului (Figura 5.8). ). Într-un atom neutru din punct de vedere electric, sarcina negativă totală a colecției de electroni este egală cu sarcina pozitivă totală din nucleu. Electronii cu masă foarte mică pot fi îndepărtați sau adăugați mai mult sau mai puțin ușor unui atom, schimbând sarcina netă a atomului (deși fără a-i schimba tipul). Un atom care a avut sarcina modificată în acest fel se numește ion. Electronii ionilor pozitivi au fost îndepărtați, în timp ce ionilor negativi li s-au adăugat electroni în exces. De asemenea, folosim acest termen pentru a descrie molecule care nu sunt neutre din punct de vedere electric.
Figura 5.8 Nucleul unui atom de carbon este compus din șase protoni și șase neutroni. Ca și în cazul hidrogenului, cei șase electroni din jur nu au locații definite și, prin urmare, pot fi considerați a fi un fel de nor care înconjoară nucleul.
Povestea atomului nu se oprește însă aici. În ultima parte a secolului al XX-lea, în nucleul atomului au fost descoperite mult mai multe particule subatomice: pioni, neutrini și quarci, printre altele. Cu excepția fotonului, niciuna dintre aceste particule nu este direct relevantă pentru studiul electromagnetismului, așa că amânăm discuțiile ulterioare asupra lor până la capitolul despre fizica particulelor (Fizica particulelor și cosmologie).
O notă despre terminologie
După cum s-a menționat anterior, sarcina electrică este o proprietate pe care o poate avea un obiect. Acest lucru este similar cu modul în care un obiect poate avea o proprietate pe care o numim masă, o proprietate pe care o numim densitate, o proprietate pe care o numim temperatură și așa mai departe. Din punct de vedere tehnic, ar trebui să spunem întotdeauna ceva de genul „Să presupunem că avem o particulă care poartă o sarcină de 3 μC”. Cu toate acestea, este foarte obișnuit să spunem în schimb: „Să presupunem că avem o sarcină de 3 μC”. În mod similar, spunem adesea ceva de genul „Șase sarcini sunt situate în vârfurile unui hexagon obișnuit”. O sarcină nu este o particulă; mai degrabă, este o proprietate a unei particule. Cu toate acestea, această terminologie este extrem de comună (și este folosită frecvent în această carte, așa cum este peste tot în altă parte). Așadar, păstrați în minte la ce ne referim cu adevărat atunci când ne referim la o „sarcină”.
Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2023 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3
Lasă un răspuns