Sarcina electrică

      Oricare particulă ce posedă o încărcătură electrică (precum protonul, care posedă iîncărcătură electrică pozitivă și electronul, care posedă încărcătură electrică negativă) generează în jurul său un câmp de forțe (sub forma unei bile) care duc la atragerea (dacă au încărcătură electrică opusă, adică particula pozitivă atrage particulele negative și invers) sau respingerea (dacă au încărcătură electrică similară, adică particula pozitivă respinge particulele pozitive și particula negativă respinge particulele negative) celorlalte particule încărcate electric. Cantitatea de electricitate deținută de aceste particule este denumită sarcină electrică; practic, aceasta determină capacitatea de a respinge sau de a atrage celelalte sarcini electrice. Prin convenție, sarcinile electrice elementare sunt electronul, căruia îi este asociată valoarea -1, pentru a delimita încărcătura electrică negativă și  protonul, căruia îi este asociată valoarea 1, pentru a delimita încărcătura electrică pozitivă. Forța de atragere/respingere dintre sarcinile electrice crește proporțional cu încărcătura electrică și scade cu distanța dintre acestea.

Trebuie să țineți cont că, acest concept, de sarcină electrică, se extinde pentru toate obiectele, întrucât atomii nu au întotdeauna un număr egal de protoni și electroni. Astfel, atomii care au un număr mai mare de electroni decât numărul de protoni sunt încărcați negativ, cei care au un număr mai mic de electroni decât numărul de protoni sunt încărcați pozitiv, iar cei cu număr egal de protoni și electroni sunt neutri. Orice obiect care posedă sarcină electrică diferită de zero, este considerat obiect polarizat.

     Curentul electric este direct dependent de sarcina electrică, aceasta reprezentând tocmai disponibilitatea de resurse pentru transferul energiei electrice.

Tensiunea electrică și intensitatea curentului electric

      Pentru a descrie mărimile fizice utilizate în scopul caracterizării energiei electrice, vom realiza o analogie între energia electrica și un dig.

Sarcina electrică reprezintă volumul de apă care se regăsește în dig; din punctul de vedere al energiei electrice, aceasta reprezintă cantitatea de electroni liberi disponibilă (capacitatea totală de transfer a energiei electrice).

Tensiunea electrică este diferența de potențial electric dintre două puncte (în cazul digului, este vorba despre nivelul maxim al apei aflate în dig și nivelul bazinului în care va curge apa din dig) și reprezinta capacitatea (de aici și noțiunea de potențial) de fi a transportată apa între cele două puncte. Această mărime este asociată presiunii apei din interiorul digului.

Intensitatea curentului electric este fluxul de electroni iar, în cazul digului, reprezintă debitul de apă (cantitatea de apă care ajunge din dig în bazin într-un interval de o secundă).

Rezistența electrică poate fi asociată închiderii sau deschiderii barajului (sau unui robinet) și reprezintă capacitatea de a se opune fluxului de electroni.

Unități de măsură pentru mărimile electrice

Simbolul utilizat pentru a reprezenta sarcina electrică este litera Q, iar mărimea utilizată pentru a o delimita cantitativ este Coulombul (notat C), care poartă numele fizicianului francez Charles-Augustin de Coulomb, cunoscut pentru definirea forței electrostatice de atracție sau respingere. Sarcina electrică este exprimată ca multiplu al sarcinii elementare (valoarea absolută, adică fără semnele plus sau minus, a sarcinii electrice a electronului sau protonului) și care are valoarea de 1,602·10^-19C. Drept urmare, o sarcină electrică având valoarea de 1 Coulomb este echivalentă cu 6,24·10¹⁸ sarcini elementare.

Tensiunea electrică este reprezentată utilizând litera U, însă o veți mai întâlni marcată și cu litera V (totuși, în general, litera V este utilizată pentru a marca potențialul electric, iar tensiunea electrică este diferența de potențial dintre două puncte ale unui circuit; să nu interpretați totuși că utilizarea simbolului V în unele scheme electrice pentru a indica tensiunea este eronată - aceasta indică într-adevăr potențialul, iar celalalt punct este masa circuitului, o regiune cu potențial zero, deci, în aceasta situație tensiunea va fi egală cu potențialul din punctul marcat, având în vedere că este realizată o referință față de punctul de zero). Mărimea utilizată pentru măsurarea tensiunii electrice este Voltul (notat V), denumită astfel în cinstea fizicianului italian Alessandro Volta, inventatorul primei baterii electrică din istorie, cunoscută sub denumirea de pilă voltaică, ce permitea transformarea energiei chimice în energie electrică și, implicit, stocarea și transportul energiei electrice.

Intensitatea curentului electric este reprezentată utilizând litera I, iar mărimea utilizată pentru a o delimita cantitativ este Amperul (notat A); denumirea a fost dată în cinstea fizicianului francez André-Marie Ampère, care a pus bazele electromagnetismului.

Deși deplasarea electronilor liberi se realizează dinspre polul negativ către polul pozitiv, aceștia fiind atrași de sarcinile pozitive și respinși de cele negative, s-a stabilit, prin convenție, că sensul curentului electric este dinspre polul pozitiv către polul negativ al unui circuit electric.

Simbolul utilizat pentru a reprezenta rezistența electrică este litera R, iar unitatea de măsură utilizată pentru aceasta este Ohmul (notat utilizând litera grecească Ω  - omega); denumirea de Ohm a fost acordată în cinstea fizicianului german Georg Simon Ohm, cel care a descoperit proporționalitatea dintre diferența de potențial, intensitatea curentului electric și rezistența electrică.

Puterea electrică este o altă mărime electrică utilizata frecvent; aceasta indică viteza de transfer a energiei electrice într-un circuit electric. Simbolul utilizat pentru a o reprezenta este litera P, iar unitatea de măsură este wattul (notat utilizând litera W), denumit astfel în cinstea inginerului scoțian James Watt, inventatorul locomotivei cu abur.

Câteva relații matematice

      Chiar dacă, la prima vedere, relațiile matematice vi se vor părea dificile, esențial este să înțelegeți ceea ce exprimă acestea nu să le memorați, întrucât, atunci când vă veți propune să proiectați un circuit electric sau să îl evaluați, pentru a putea utiliza expresiile matematice, trebuie mai întâi să înțelegeți aspectele la care se referă acestea. În plus, cu siguranță, veți avea acces la acestea oricând.

- un coulomb este sarcina electrică transportată de un curent de un amper în timp de o secundă:

1C (coulomb) = 1A (amper) · 1s (secunda)

De aici a pornit și definirea în Sistemul Internațional a mărimilor electrice, cunoscând faptul că sarcina electrică de 1 Coulomb este echivalentă cu 6,24·1018 sarcini elementare (electroni sau protoni).

- un ohm este rezistența electrică dintre două puncte ale unui conductor atunci când, între aceste două puncte, există o diferență de potențial, constantă, de un volt și este produs un curent de un amper, iar conductor nu este influențat de vreo forță electromotoare:

1V (volt) = 1A (amper) · 1Ω (Ohm)

- expresia matematică de mai sus a rămas cunoscută drept Legea lui Ohm și exprimă proporționalitatea dintre diferența de potențial, intensitatea curentului electric și rezistența electrică. Formula sa matematica este:

sau, exprimată altfel:

U = R · I

- un watt este viteza de transfer a lucrului mecanic generat de un curent de un amper atunci când exista o diferență de potențial, constantă, de un volt:

1W (watt) = 1A (amper) · 1V (volt)

- astfel, formula matematică, în funcție de intensitatea curentului electric și diferența de potențial, a puterii electrice este: 

- voltul este definit utilizând relațiile de mai jos:

- dupa cum observați, aceste expresii matematice conțin și câteva unități de măsură pe care nu le-am definit anterior. Newtonul (notat N) este unitatea de măsură utilizată pentru a cuantifica forța și a fost denumit astfel în cinstea omului de știință Isaac Newton, cel care, prin studierea legilor mișcării corpurilor, a creat bazele mecanicii clasice; un newton este forța necesară pentru a imprima o accelerație de 1 m/s² unui corp cu masa de 1 kg. Desigur că vă veți întreba ce legătură poate avea forța cu energia electrică - tocmai despre acest lucru este vorba atunci când este realizat transferul energiei electrice, sarcina electrică (un grup de electroni liberi) se deplasează, sub acțiunea forței electromotoare, dintr-un punct într-altul al conductorului; această deplasare presupune o viteză și, implicit, o accelerație. Jouleul (notat J) este unitatea de măsură utilizată pentru a cuantifica energia și a fost denumit astfel în onoarea fizicianului James Prescott Joule; un joule este egal cu lucrul mecanic (acesta este, practic, efortul depus pentru a realiza deplasarea pe o anumită distanță) efectuat de o forță de un newton care își deplasează punctul de aplicație pe o distanță de un metru pe direcția și în sensul forței. Având în vedere ca tensiunea se referă la diferența de potențial (adică de capacitate de a deplasa sarcina dintr-un punct într-altul) expresia matematică prezentată enunță faptul că tensiunea electrică este energia necesară pentru a transporta sarcina între două puncte ale circuitului.

Articole din această categorie