» » » » » » Sarcini electrice și forțe electrice

Sarcini electrice și forțe electrice

postat în: Electromagnetism | 0

 Sarcini electrice(Figura 1 În jurul nostru există sarcini electrice, ele putând provoca respingerea obiectelor unul față de celălalt sau atragerea reciprocă a acestora (credit: modificarea muncii lui Sean McGrath).)

Din legile lui Newton, se pot identifica mai multe fenomene fizice ca forțe. Forțele se manifestă prin efectul pe care îl au asupra unui obiect fizic: în special, ele determină accelerarea obiectului, schimbând impulsul acestuia. Rezultă că recunoaștem o forță prin efectul pe care îl are asupra unui obiect.

Forța gravitației acționează asupra tuturor obiectelor cu masă. Forța electrică acționează asupra tuturor obiectelor cu o proprietate numită sarcină. Forța electrică este mult mai puternică decât gravitația (în cele mai multe sisteme unde apar ambele), dar poate fi o forță de atracție sau o forță de repulsie, ceea ce conduce la efecte foarte diferite asupra obiectelor. Forța electrică ajută la menținerea atomilor împreună, deci este de importanță fundamentală în materie. De asemenea, guvernează cele mai multe interacțiuni de zi cu zi cu care ne confruntăm, de la interacțiunile chimice la procesele biologice.

Cu siguranță sunteți familiarizați cu dispozitivele electronice pe care le activați prin apăsarea unui comutator, de la calculatoare la telefoane mobile și televizor. Și ați văzut cu siguranță electricitatea într-un fulger în timpul unei furtuni puternice. Dar, de asemenea, ați experimentat cel mai probabil efectele electrice în alte moduri, poate fără a realiza că a fost implicată o forță electrică. Să aruncăm o privire asupra unelor dintre aceste activități și să vedem ce putem învăța din ele despre sarcinile și forțele electrice.

Probabil că ați experimentat fenomenul de electricitate statică: Când luați prima dată hainele dintr-un uscător, mulțe (nu toate) au tendința de a rămâne lipite; unele materiale pot fi foarte dificil de separat. Un alt exemplu se întâmplă dacă luați rapid un pulover de lână – puteți simți (și auzi) electricitatea statică atrându-vă hainele, și poate chiar și părul. Dacă vă pieptănați părul într-o zi uscată și apoi puneți pieptănul aproape de un șuvoi subțire de apă care iese dintr-un robinet, veți descoperi că șuvoiul de apă se înclină spre (este atras de) pieptăn (figura 2).

Pieptăn încărcat electric(Figura 2 Un pieptăn încărcat electric atrage un șuvoi de apă de la distanță. Observați că apa nu atinge pieptănul (credit: Jane Whitney))

Să presupunem că aduceți pieptănul aproape de niște benzi mici de hârtie; fâșiile de hârtie sunt atrase de pieptăn și chiar se agață de el (Figura 3). În bucătărie, trageți rapid o bucată de plastic afară de pe role; aceasta va avea tendința de a se agăța de cele mai multe materiale nemetalice (cum ar fi plasticul, sticla sau alimentele). Dacă frecați un balon pe perete pentru câteva secunde, acesta se va lipi de perete. Probabil că efectul cel mai enervant al electricității statice este șocul de la atingerea unei uși (sau a unui prieten) după ce târșiți picioarele pe mochetă.

Pieptăn încărcat electric(Figura 3 După ce v-ați folosit pieptănat, pieptănul atrage mici fâșii de hârtie de la distanță, fără contact fizic. Investigarea acestui comportament a ajutat la crearea conceptului de forță electrică (credit: Jane Whitney).)

Multe dintre aceste fenomene au fost cunoscute de secole. Filosoful antic grec Tales din Milet (624-546 î.e.n.) a arătat că, atunci când chihlimbarul (o rășină tare, translucidă, fosilă din copacii dispăruți) este frecat puternic cu o bucată de blană, se crează o forță care face ca blănurile și chihlimbarul să se atragă reciproc (Figura 4). În plus, el a descoperit că chihlimbarul frecat nu numai că va atrage blana, dar și blana va atrage chihlimbarul, și ambele pot afecta alte obiecte (nemetalice), chiar dacă nu sunt în contact cu aceste obiecte (Figura 5).

Ambra(Figura 4 Ambra de Borneo este exploatată în Sabah, Malaezia, din vene de șisturi-gresie-nămol, iar atunci când o bucată de chihlimbar este frecat cu o bucată de blană, chihlimbarul câștigă mai mulți electroni, rezultând o încărcare negativă netă. În același timp, blana care are pierde electroni devine încărcată pozitiv (credit: „Sebakoamber” / Wikimedia Commons)).

Atât chihlimbarul cât și țesătura sunt inițial neutre(Figura 5 Atunci când materialele sunt frecate împreună, sarcinile pot fi separate, mai ales dacă un material are o afinitate mai mare pentru electroni decât altul (a) Atât chihlimbarul cât și țesătura sunt inițial neutre, cu sarcini pozitive și negative egale. (b) Atunci când sunt frecate împreună, o anumită sarcină negativă este transferată pe chihlimbar, lăsând țesătura cu o sarcină netă pozitivă. (c) Atunci când sunt separate, chihlimbarul și țesătura au acum sarcini nete, dar valoarea absolută a sarcinilor nete pozitive și negative va fi egală.)

Fizicianul englez William Gilbert (1544-1603) a studiat, de asemenea, această forță de atracție, folosind diferite substanțe. A lucrat cu chihlimbar și, în plus, a experimentat cu cristalul de rocă și diverse pietre prețioase și semiprețioase. De asemenea, a experimentat cu mai multe metale. El a descoperit că metalele nu au prezentat deloc această forță, spre deosebire de minerale. În plus, deși o tijă de chihlimbar electrificat ar atrage o bucată de țesătură, ar respinge o altă tijă de chihlimbar electrificată; în mod similar, două bucăți de țesătură electrificate s-ar respinge reciproc.

Acesta a sugerat că există două tipuri de proprietăți electrice; această proprietate a ajuns în cele din urmă să fie numită sarcină electrică. Diferența dintre cele două tipuri de sarcină electrică este în direcția forțelor electrice pe care le provoacă fiecare tip de sarcină: Aceste forțe sunt de respingere atunci când același tip de sarcină există pe două obiecte care interacționează, și de atracție atunci când sarcinile sunt de tipuri opuse. Unitatea SI a sarcinii electrice este coulombul (C), după fizicianul francez Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).

Cel mai ciudat aspect al acestei forțe este acela că nu necesită un contact fizic între cele două obiecte pentru a provoca o accelerație. Acesta este un exemplu de așa-numită „forță cu rază lungă de acțiune”. (Sau, așa cum a formulat mai târziu Albert Einstein, o „acțiune de la distanță”.) Cu excepția gravitației, toate celelalte forțe pe care le-am discutat până acum acționează numai atunci când cele două obiecte în interacțiune se ating.

Fizicianul și omul de stat american Benjamin Franklin a descoperit că ar putea să concentreze sarcina într-o ”butelie de Leyda”, care era în esență un borcan de sticlă cu două folii de metal, una înăuntru și una exterioară, cu sticla dintre ele (Figura 6). Aceasta a creat o forță electrică mare între cele două foi de folii.

O butelie de Leyda(Figura 6 O butelie de Leyda (o versiune timpurie a ceea ce acum este numit condensator) a permis experimentatorilor să stocheze cantități mari de sarcină electrică. Benjamin Franklin a folosit un astfel de vas pentru a demonstra că fulgerul se comportă exact ca electricitatea din echipamentul de laborator.)

Franklin a subliniat că comportamentul observat poate fi explicat presupunând că unul dintre cele două tipuri de sarcină rămâne nemișcat, în timp ce celălalt tip de sarcină curge de la o bucată de folie la alta. El a mai sugerat că un exces de ceea ce el numea acest „lichid electric” se numește „electricitate pozitivă”, iar lipsa acestuia se numește „electricitate negativă”. Sugestia lui, cu unele modificări minore, este modelul pe care îl folosim astăzi. (Odată cu experimentele pe care le-a putut face, aceasta era o presupunere pură, pentru că nu avea nicio posibilitate de a determina semnul sarcinii în mișcare. Din păcate, el a ghicit greșit, acum știm că sarcinile care curg sunt cele pe care Franklin le-a etichetat ca fiind negative, iar sarcinile pozitive rămân în mare parte nemișcate. Din fericire, după cum vom vedea, nu există nicio diferență practică sau teoretică în alegerea pe care o vom face, atâta timp cât vom rămâneconsecvenți în alegerea noastră.)

Să enumărăm observațiile specifice pe care le avem despre această forță electrică:

  • • Forța acționează fără contact fizic între cele două obiecte.
  • • Forța poate fi atractivă sau repulsivă: dacă două obiecte care interacționează poartă același semnal de sarcină, forța este respingătoare; dacă sarcinile sunt cu semn opus, forța este atractivă. Aceste interacțiuni sunt denumite repulsie electrostatică și, respectiv, atracție electrostatică.
  • • Nu toate obiectele sunt afectate de această forță.
  • • Mărimea forței scade (rapid) odată cu creșterea distanței de separare dintre obiecte.

Mai precis, constatăm experimental că magnitudinea forței scade pe măsură ce pătratul distanței dintre cele două obiecte interacționate crește. Astfel, de exemplu, atunci când distanța dintre două obiecte care interacționează este dublată, forța dintre ele scade la un sfert din ceea ce a fost în sistemul original. De asemenea, putem observa că mediul obiectelor încărcate afectează magnitudinea forței.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *