Sarcina este un termen tehnic utilizat pentru a indica faptul că există forţe electrice ce se exercită asupra unui obiect. Spunem acest lucru pentru a se face distincția de utilizarea comună, în care termenul este folosit fără discriminare pentru orice problemă de ordin electric. De exemplu, deşi în limbajul cotidian vorbim de „încărcarea” (eng. charging) unei baterii, ne dăm totuşi seama că aceasta nu poseda sarcina electrică, tehnic vorbind; de pildă, ea nu exercită nicio forţă electrică asupra unei benzi pregătite în prealabil aşa cum este descris la subpunctul anterior.

CUPRINS
5.2 Sarcină, electricitate şi magnetism


Două tipuri de sarcină

Se pot aduna o mulţime de date privind forţele electrice exercitate între diferite corpuri încărcate diferit. De exemplu, am descoperit că blana pisicii frecată de blana unui iepure va atrage sticla, dacă aceasta din urmă a fost frecată anterior de mătase.

Cum putem înţelege ceva din toate acestea? Simplificăm masiv afirmând că există doar două tipuri de sarcini electrice. Să presupunem că frecarea blănii de pisică de blana de iepure reprezintă modelul A, iar frecarea sticlei de o bucată de mătase reprezintă modelul B. Vom vedea că nu există niciun model „C”. Orice obiect electrificat prin orice metodă se va comporta ca modelul A, atrăgând obiecte pe care A le atrage şi respingându-le pe acelea pe care A le respinge sau se comportă ca modelul B, arătând aceleaşi forţe de atracţie şi respingere ca şi B. Modelele A şi B sunt întotdeauna caracterizate de interacţiuni opuse. Dacă A atrage vreun obiect încărcat electric, atunci cu siguranţă B îl va respinge şi viceversa.



Coulombul


Deşi sunt doar două tipuri de sarcini, fiecare tip poate exista în cantităţi diferite. Unitatea de măsură pentru sarcina electrică este coulombul, definit după cum urmează:

            Un coulomb (C) reprezintă cantitatea de sarcină electrică care face ca o forţă de 9,0×109 N este exercitată între două corpuri punctiforme cu sarcina de 1 C, aflate la distanţa de 1 m.

Cantitatea de sarcină se notează cu q. Factorul numeric din definiţie este o constantă. Definiţia este atribuită corpurilor punctiforme (corpuri foarte mici), deoarece, în caz contrar, distanţa între diferite părţi ale corpurilor respective ar deveni inegală.


Modelul a două tipuri de particule încărcate electric

Experimentele arată ca toate metodele de a freca sau a încărca electric în alt fel obiecte implică două obiecte şi ambele vor sfârşi încărcate electric. Dacă un obiect va acumula o anumită cantitate  de un anumit tip de sarcină, atunci celălalt va fi încărcat cu aceeaşi cantitate, dar alt tip de sarcină. Acest lucru lasă loc multor  interpretări, dar ideea este că elementele fundamentale ale materiei sunt de două feluri, fiecare cu tipul său de sarcină. Prin frecatul obiectelor între ele se transferă anumite particule de la unul la celălalt. Aşadar, un obiect neîncărcat electric poate avea o mare cantitate ale ambelor tipuri de sarcină, însă cantităţile sunt egale şi sunt distribuite în acelaşi fel în acesta. Din moment ce A respinge orice obiect pe care B îl atrage, şi viceversa, atunci forţa rezultantă dintre acest obiect şi oricare altul va fi egală cu 0. Restul capitolului detaliază acest model şi discută despre modul în care aceste particule misterioase pot fi înţelese că fiind părţi integrante ale atomilor.


Utilizarea semnului "+" şi "-" pentru sarcină

Deoarece cele două tipuri de sarcină tind să îşi anuleze forţele reciproc, are sens să utilizăm semnele "+" şi "-" şi să discutăm despre sarcina totală a unui obiect. Este la alegerea fiecăruia cum pune semnul "+" şi "-". Benjamin Franklin a decis să folosească semnul negativ pentru obiectul A, dar asta nu are importanţă atâta timp cât rezultatele sunt consecvente. Un obiect cu o sarcină totală egală cu 0 (are aceeaşi cantitate ale ambelor tipuri de sarcină) este neutru din punct de vedere electric.


Legea lui Coulomb
O sumă considerabilă de observaţii experimentale pot fi sintetizate după cum urmează:

Legea lui Coulomb: mărimea forţei care acţionează între obiectele punctiforme încărcate electric la distanţa r (r este raza sferei) este dată de ecuaţia



unde constanta

k= 9,0 x 109 N*m2 / C2

Forţa este de atracţie dacă sarcinile sunt de semne diferite, respectiv de respingere dacă sarcinile au acelaşi semn.


Conservarea sarcinii

Experimentele arată ca folosind semnele “+” şi “-“, cantitatea totală de sarcină se conservă. De aceea atunci când frecăm două obiecte neîncărcate electric, unul obţine o anumită cantitate al unui tip de sarcină, iar celălalt o cantitate egală al celuilalt tip de sarcină. Conservarea sarcinii pare firească în modelul nostru în care materia este formată din particule pozitive şi negative. Dacă sarcina de pe fiecare particulă este caracteristică acelui tip de particulă, iar dacă particulele nu pot fi nici create, nici divizate, atunci conservarea sarcinii este iminentă.


Forţe electrice care implică obiecte neutre din punct de vedere electric

Aşa cum este arătat în figura b, un obiect încărcat electric poate atrage obiecte neîncărcate. Cum este posibil? Explicaţia este că, deşi hârtia are o sarcină totală egală cu 0, are cel puţin câteva particule care au libertate de mişcare.

În figura c presupunem că banda este încărcată cu sarcină pozitivă. Particulele mobile din hârtie vor răspunde forţelor din bandă, făcând ca un capăt al hârtiei să devină încărcat cu sarcină negativă, iar celălalt cu sarcină pozitivă. Forţa de atracţie între hârtie şi bandă este mai puternică decât forţa de respingere, deoarece capătul încărcat negativ este mai aproape de bandă.


b/ O bucată de bandă încărcată atrage bucăţi de hârtie neîncărcate electric



c/ Hârtia are sarcina totală nulă, dar are câteva particule care au libertate de mişcare


 
d/ Modelul unui atom: hidrogen (primul) şi heliu (al doilea). La această mărime, orbitele electronilor ar fi de mărimea unui campus universitar.


Atomul şi particulele subatomice

Odată am avut un student al cărui tată a fost electrician. Mi-a spus că tatăl său nu a crezut niciodată că electronii ar genera curentul electric prin cablu, deoarece cablul este solid, iar particulele care treceau prin el l-ar perfora atât de mult încât l-ar descompune. Poate părea că aş vrea să râd de tatăl lui, dar de fapt el semăna mai mult cu modelul omului de ştiinţă sceptic: nu voia să aducă ipoteze mai complicate decât era necesar pentru a-i explica observaţiile. Înainte de 1905 fizicienii se aflau exact în aceeaşi situaţie. Ştiau totul despre circuitele electrice, şi chiar au inventat radioul, dar nu ştiau nimic despre particulele subatomice. Cu alte cuvinte, chiar nu prea contează faptul că energia electrică este formată din particule încărcate cu sarcini, şi nici ce sunt aceste particule. Cu toate acestea, se pot evita unele confuzii trecându-se în revistă modul în care este alcătuit atomul:

Protonul
Sarcina electrică: +e
Masa, în funcţie masa protonului: 1
Poziţia în atom: în nucleu

Neutronul
Sarcina electrică: 0
Masa, în funcţie masa protonului: 1,001
Poziţia în atom: în nucleu

Electronul
Sarcina electrică: -e
Masa, în funcţie masa protonului: 1/1836
Poziţia în atom: orbitează nucleul

Simbolul "e" din tabel este abrevierea pentru 1,60x10-19C. În 1911 fizicianul Robert Millikan a descoperit că orice obiect (a folosit picături de ulei) ar avea o sarcină care este multiplă de acest număr, şi astăzi interpretăm aceasta ca fiind o consecinţă a faptului că materia este formată din atomi, iar atomii la rândul lor sunt alcătuiţi din particule a căror sarcina este „+” şi “-“ această valoare.