Electricitate statica

Electricitate statica

Atractia electrostatica

Cu secole in urma, a fost descoperit faptul ca anumite tipuri de materiale se atrag "misterios" dupa frecare. De exemplu: dupa frecarea unei bucati de matase de o bucata de sticla, cele doua materiale vor tinde sa se lipeasca unul de celalalt. Intr-adevar, exista o forta de atractie ce actioneaza chiar si atunci cand cele doua materiale sunt separate unul de celalalt.

Sticla si matasea nu sunt singurele materiale ce se comporta astfel. Oricine s-a frecat vreodata de un balon din latex s-a confruntat cu exact acelasi fenomen atunci cand a observat ca balonul tinde sa se lipeasca de el/ea. Parafina si matasea sunt o alta pereche de materiale ce manifesta forte de atractie dupa frecare.

Acest fenomen a devenit si mai interesant dupa ce a fost descoperit faptul ca materialele identice se resping intotdeauna dupa frecare.

A fost de asemenea observat faptul ca o bucata de sticla frecata cu matase adusa in apropierea unei bucati de parafina frecata in prealabil cu cu lana, conduce la fenomenul de atractie dintre cele doua materiale:

Mai mult decat atat, s-a descoperit ca orice material care poseda proprietati de atractie sau respingere dupa frecare, poate fi clasificat intr-una din cele doua categorii: atras de sticla si respins de parafina, sau respins de sticla si atras de parafina. Nu s-au gasit materiale care sa fie atrase sau respinse atat de sticla cat si de parafina, sau care sa reactioneze fata de una fara sa reactioneze fata de cealalta.

O atentie sporita a fost indreptata spre materialele folosite pentru frecare. S-a descoperit ca dupa frecarea a doua bucati de sticla cu doua bucati de matase, atat bucatile de sticla cat si bucatile de matase se resping reciproc

Acest lucru era foarte straniu. Pana la urma, niciunul dintre aceste materiale nu era vizibil modificat in urma frecarii, dar cu siguranta se comportau diferit dupa frecare. Oricare ar fi fost schimbarea ce avea loc pentru a determina atractia sau respingerea acestor materiale unul de celalalt, era una invizibila.

Sarcina electrica

Unii experimentatori au speculat existenta "fluidelor" invizibile ce se deplaseaza de pe un obiect pe celalalt in timpul frecarii, si ca aceste "fluide" induc o forta fizica pe o anumita distanta. Charles du Fay a facut parte din primii experimentatori ce au demonstrat existenta categorica a doua tipuri de schimbari ca urmare a frecarii impreuna dintre doua tipuri de obiecte. Existenta a mai mult de un singur tip de schimbare suferita de aceste materiale, era evidenta din faptul ca rezultau doua tipuri de forte: atractie si respingere. Transferul ipotetic de fluid a devenit cunoscut sub numele de sarcina.

Sarcina electrica pozitiva si sarcina electrica negativa

Un cercetator renumit, Benjamin Franklin, ajunge la concluzia existentei unui singur tip de fluid ce se deplaseaza intre obiectele frecate, si ca cele doua "sarcini" diferite nu sunt decat fie un exces, fie o deficienta din exact acelasi fluid. Dupa ce a experimentat cu parafina si lana, Franklin a sugerat ca lana neprelucrata transfera o parte din acest fluid invizibil de pe parafina neteda, ducand la un exces de fluid pe lana, si un deficit de fluid pe parafina. Diferenta rezultata de continut in lichid dintre cele doua obiecte ar cauza prin urmare o forta de atractie, datorita faptului ca fluidul incerca sa-si recapete echilibrul existent anterior intre cele doua materiale.

Postularea existentei unui singur "fluid" ce era fie castigat, fie pierdut in timpul frecarii, se potrivea cel mai bine comportamentului observat: ca toate aceste materiale se imparteau simplu intr-una din cele doua categorii atunci cand erau frecate, si cel mai important, ca cele doua materiale active frecate unul de celalalt se incadrau intotdeauna in categorii opuse, fapt evidentiat de atractia inevitabila dintre cele doua materiale. In alte cuvine, nu s-a intamplat niciodata ca doua materiale frecate unul de celalalt, sa devina amandoua in acelasi timp fie pozitive, fie negative.

Dupa speculatiile lui Franklin legate de indepartarea "fluidului" de pe parafina cu ajutorul lanii, sarcina ce avea sa fie asociata cu parafina frecata a devenit cunoscuta sub denumirea de negativa (pentru presupusa deficienta de fluid), iar tipul de sarcina asociat cu lana frecata a devenit cunoscuta ca fiind pozitiva (pentru presupusul exces de fluid). Aceasta conjunctura inocenta va cauza multe batai de cap celor ce vor studia electricitatea in viitor!

Unitatea de masura a sarcinii electrice si sarcina electrica elementara

Masuratori precise ale sarcinii electrice au fost efectuate de catre fizicianul francez Charles Coulomb in anii 1780, cu ajutorul unui dispozitiv numit balanta de torsiune, masurand forta generata intre doua obiecte incarcate din punct de vedere electric. Rezultatele muncii lui Coulomb au dus la dezvoltarea unitatii de masura pentru sarcina electrica, si anume Coulomb-ul. Daca doua corpuri "punctiforme" (corpuri ipotetice fara suprafata) sunt incarcate cu o sarcina egala de 1 Coulomb si plasate la 1 metru distanta, acestea ar genera o forta de atragere (sau de respingere, in functie de tipul sarcinilor) de aproximativ 9 miliarde de Newtoni. Definitia operationala a unui Coulomb, ca si unitate a sarcinii electrice (in termeni de forta generata intre cele doua puncte incarcate cu sarcina electrica), s-a descoperit ca este egala cu un exces sau o deficienta de aproximativ 6.250.000.000.000.000.000 (6.25 x 10¹⁸ de electroni. Sau invers, un electron are o sarcina de aproximativ 0,00000000000000000016 Coulombi (1,6 x 10^-19). Prin faptul ca electronul este cel mai mic purtator de sarcina electrica cunoscut, aceasta ultima valoare a sarcinii pentru electron a fost desemnata ca sarcina electrica elementara.

Electronii si structura atomica a materialelor

Mult mai tarziu se va descoperi faptul ca acest "fluid" este defapt compus din bucati mici de materie numite electroni, denumiti astfel dupa cuvantul antic grecesc dat chihlimbarului: un alt material ce manifesta proprietati electrice cand este frecat de lana. Experimentele realizate de atunci au relevat faptul ca toate obiectele (corpurile) sunt compuse din "blocuri" extrem de mici, denumite atomi, iar acesti atomi la randul lor sunt compusi din componente si mai mici, denumite particule. Cele trei particule fundamentale regasite in compozitia majoritatii atomilor poarta denumirea de protoni, neutroni si electroni. Desi majoritatea atomilor sunt o compozitie de protoni, neutroni si electroni, nu toti atomii au neutroni; un exemplu este izotopul de protiu (₁H¹) al hidrogenului, ce reprezinta forma cea mai usoara si mai raspandita a hidrogenului, cu doar un singur proton si un singur electron. Atomii sunt mult prea mici pentru a fi vazuti, dar daca am putea privi unul, ar arata aproximativ astfel:

Chiar daca fiecare atom dintr-un material tinde sa ramana o unitate, in realitate exista mult spatiu liber intre electroni si "ciorchinele" de protoni si neutroni din mijloc

Acest model brut este cel al litiului, cu 3 protoni, 3 neutroni si 3 electroni. In oricare atom, protonii si neutronii sunt foarte strans legati intre ei, ceea ce reprezinta o calitatea importanta. Masa strans legata de protoni si neutroni din centrul unui atom poarta denumirea de nucleu, iar numarul de protoni din nucleul unui atom, determina identitatea elementului: daca schimbam numarul protonilor din nucleul unui atom, schimbam implicit si tipul atomului. Legatura stransa a protonilor de nucleu este responsabila de stabilitatea elementelor chimice.

Neutronii au o influenta mult mai mica asupra caracterului chimic si a identitatii atomului fata de protoni, cu toate ca sunt la fel de greu de scos sau adaugat din nucleu, datorita legaturii lor puternice. In cazul adaugarii sau castigarii unui neutron, atomul isi mentine aceeasi identitate chimica, dar va avea loc o modificara usoara a masei sale, si ar putea dobandi proprietati nucleare ciudate precum radioactivitatea.

Electronii se pot deplasa liberi in interiorul atomului

Totusi, electronii poseda o libertate de miscare in cadrul atomului semnificativ mai mare decat cea a protonilor si neutronilor. Acestia pot fi mutati de pe pozitiile lor (sau pot chiar parasi atomul cu totul!) de catre o energie mult mai mica decat cea necesara indepartarii particulelor din nucleu. Daca se intampla acest lucru, atomul isi pastreaza proprietatile sale chimice, dar apare un dezechilibru important. Electronii si protonii sunt unici prin faptul ca sunt atrasi unii de ceilalti la distanta. Este acea atractie la distanta responsabila de atractia in urma frecarii corpurilor, unde electronii sunt indepartati de atomii lor originali si ajung pe atomii unui alt corp.

Sarcina electrica neta a atomului este zero

Electronii tind sa respinga alti electroni la distanta, precum este si cazul protonilor cu alti protoni. Singurul motiv pentru care protonii se atrag in nucleul atomului se datoreaza unei forte mult mai puternice, numita forta nucleara tare ce isi face simtit efectul doar pe distante foarte scurte. Datorita acestui efect de atractie/respingere intre particulele individuale, spunem ca electronii si protonii au sarcini electrice opuse. Adica, fiecare electron are o sarcina negativa, si fiecare proton are o sarcina pozitiva. In numar egal in cadrul unui atom, isi neutralizeaza unul altuia prezenta, astfel incat sarcina electrica neta a atomului este zero. De aceea imaginea atomului de carbon are sase electroni: pentru a balansa sarcina electrica a celor sase protoni din nucleu. Daca pleaca electroni, sau vin electroni in plus, sarcina neta a atomului va suferi un dezechilibru, lasand atomul "incarcat" in ansamblu, si ducand la interactiunea acestuia cu particule sau alti atomi incarcati din apropiere. Neutronii nu sunt nici atrasi dar nici respinsi de catre electroni, protoni, sau alti neutroni, prin urmare se spune ca ei nu au sarcina electrica.

Frecarea materialelor si deplasarea electronilor

Procesul de adaugare sau de indepartare a electronilor este exact ceea ce se intampla atunci cand anumite combinatii de materiale sunt frecate unele de celelalte: electronii din atomii unui material sunt fortati prin frecare sa-si paraseasca atomii, si sa ajunga pe atomii unui alt material. Cu alte cuvinte, electronii reprezinta "fluidul" lui Benjamin Franklin despre care vorbeam mai sus.

Electricitatea statica si eroarea lui Benjamin Franklin

Rezultatul dezechilibrului acestui "fluid" (electroni) dintre obiecte poarta numele de electricitate statica. Se numeste "statica", pentru ca electronii mutati de pe un material pe altul tind sa ramana stationari. In cazul parafinei si a lanii, s-a determinat printr-o serie de experimente, ca electronii din lana sunt transferati pe atomii din parafina, ceea ce este exact opusul ipotezei lui Franklin! In onoarea lui Franklin, ce a desemnat sarcina parafinei ca fiind "negativa", si pe cea a lanii ca fiind "pozitiva", spunem ca electronii poseda o sarcina "negativa". Astfel, un obiect a carui atomi au primit un surplus de electroni, se spune ca este incarcat "negativ", pe cand un obiect a carui atomi au pierdut electroni se spune ca este incarcat "pozitiv", cu toate ca aceste denumiri sunt usor de incurcat. In momentul in care a fost descoperita adevarata natura a "fluidului" electric, nomenclatura mostenita de la Franklin legata de sarcina electrica era prea adanc inradacinata ca sa mai poata fi schimbata cu usurinta, prin urmare, a ramas la fel pana in zilele noastre.