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Eletricidade
Corrente elétrica

Carga elétrica

Carga elétrica

Uma carga elétrica (a quantidade de eletricidade) é uma quantidade escalar física que determina a capacidade dos corpos de serem uma fonte de campos eletromagnéticos e de participar de interação eletromagnética. A primeira carga elétrica foi introduzida na lei de Coulomb em 1785.

A unidade de carga no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Coulomb: uma carga elétrica que passa pela seção transversal de um condutor com uma corrente de 1 A por 1 s. A carga em um Coulomb é muito grande. Se dois suportes de carga (q 1 = q 2 = 1 C) fossem colocados no vácuo a uma distância de 1 m, eles interagiriam com uma força de 9⋅10 9 H, ou seja, com a força com a qual a gravidade A Terra atrai um objeto que pesa aproximadamente 1 milhão de toneladas.

Até onde sabemos, a carga elétrica na natureza ocorre apenas em múltiplos inteiros da carga elementar e. É igual à carga de prótons e tem um valor de 1.602 176 53 × 10 -19 C. O elétron tem exatamente a mesma carga, mas é negativo. Cargas que não são múltiplos de e ocorrem apenas em quarks. São partículas elementares, cuja carga é um múltiplo de e / 3, mas que, diferentemente de prótons e elétrons, nunca foram observadas separadamente.

A quantização da carga elétrica

Se quarks não são considerados, nenhum objeto foi descoberto com uma carga menor que a do elétron: por esse motivo, o valor de sua carga é considerado a unidade fundamental da carga elétrica, e todas as quantidades de carga são múltiplas de carga. de elétrons No entanto, de acordo com o modelo físico padrão, as menores cargas de partículas são ± e / 3, ± 2 e / 3 e ± e: por exemplo, o quark descendente tem uma carga - e / 3, o quark up tem uma carga 2 e / 3, enquanto suas antipartículas têm cargas opostas.

Os outros quarks, de maior massa, têm em qualquer caso cargas ± e / 3 ou ± 2 e / 3. Embora os quarks carreguem uma carga elétrica, observar um quark livre requer uma energia extremamente alta que está recentemente ao alcance de aceleradores de partículas, devido à alta intensidade das fortes interações nucleares que as mantêm unidas. Acredita-se que a existência de um plasma de quarks e glúons livres a aproximadamente 150 GeV, aproximadamente 1 × 10 12 K; os físicos tentam alcançar isso atingindo núcleos pesados, como o ouro, com energias de aproximadamente 100 GeV por núcleo.

Além da carga elétrica, também podemos definir uma carga colorida, que introduz um número quântico adicional, usado para descrever quarks e glúons, juntamente com o gosto, na teoria da cromodinâmica quântica.

O elétron

O elétron é uma partícula subatômica que possui uma massa em repouso de 9.109 3826 (16) × 10-31 kg, igual a aproximadamente 1/1836 da do próton. O momento angular intrínseco, ou spin, é um valor semi-inteiro de 1/2 em unidades de ħ, que torna o elétron um férmion, portanto sujeito ao princípio de exclusão de Pauli. A antipartícula do elétron é o pósitron, que difere apenas na carga elétrica oposta; quando essas duas partículas colidem, elas podem ser difusas ou aniquiladas produzindo fótons, mais precisamente raios gama.

A idéia de uma quantidade fundamental de carga elétrica foi introduzida pelo filósofo Richard Laming em 1838 para explicar as propriedades químicas do átomo; O termo elétron foi cunhado no final de 1894 pelo físico irlandês George Johnstone Stoney e foi reconhecido como uma partícula por Joseph John Thomson e seu grupo de pesquisa. Mais tarde, seu filho George Paget Thomson demonstrou a dupla natureza corpuscular e ondulatória do elétron, que é então descrita pela mecânica quântica através do dualismo onda-partícula.

Elétrons, juntamente com prótons e nêutrons, são partes da estrutura dos átomos e, embora contribuam com menos de 0,06% para a massa total do átomo, são responsáveis ​​por suas propriedades químicas; em particular, a troca de elétrons entre dois ou mais átomos é a fonte da ligação química covalente.

A maioria dos elétrons do universo foi criada durante o Big Bang, embora essa partícula possa ser gerada através do decaimento beta de isótopos radioativos e em colisões de alta energia, enquanto pode ser aniquilada graças à colisão com o pósitron e ser absorvido em um processo de nucleossíntese estelar.

Em muitos fenômenos físicos, particularmente no eletromagnetismo e na física do estado sólido, o elétron tem um papel essencial: é responsável pela condução da corrente elétrica e do calor, seu movimento gera o campo magnético e a variação de sua energia é responsável por Produção de fótons

O advento da eletrônica, onde nasceu a ciência da computação, coloca o elétron na base do desenvolvimento tecnológico do século XX. Suas propriedades também são exploradas em várias aplicações, como tubos de raios catódicos, microscópios eletrônicos, radioterapia e lasers.

O elétron também pertence à classe de partículas subatômicas chamadas leptons, que se acredita serem componentes fundamentais da matéria (isto é, não podem ser decompostas em partículas menores).

Eletrostática

Eletrostática é a seção da doutrina de eletricidade, que estuda as interações e propriedades dos sistemas de carga elétrica que são imóveis em relação ao referencial inercial escolhido.

A magnitude da carga elétrica (caso contrário, simplesmente uma carga elétrica) pode assumir valores positivos e negativos; É uma característica numérica de transportadores de carga e corpos carregados. Esse valor é determinado de tal maneira que a interação da força transferida pelo campo entre as cargas é diretamente proporcional à magnitude das cargas que interagem umas com as outras partículas ou corpos, e com as direções das forças que agem sobre elas do lado do campo eletromagnético depende do sinal das cargas.

A carga elétrica de qualquer sistema do corpo consiste em um número inteiro de cargas elementares igual a aproximadamente 1,6 ± 10 a 19 ° C no sistema SI ou 4,8 ± 10 a 10 unidades. SSSE Portadores de carga elétrica são partículas elementares carregadas eletricamente. A menor massa na partícula livre com carga elétrica elementar negativa é um elétron (sua massa é de 9,11 a 10-31 kg). A menor antipartícula estável em massa com uma carga elementar positiva é um pósitron que tem a mesma massa que um elétron. Há também uma partícula estável com uma carga elementar positiva: um próton (a massa é de 1,67 a 10 a 27 kg) e outras partículas menos comuns. Foi levantada uma hipótese (1964) de que também existem partículas com carga mais baixa (± â…“ e ± â…” da carga elementar) - quarks; no entanto, eles não são isolados no estado livre (e,

A carga elétrica de qualquer partícula elementar é uma quantidade invariavelmente relativística. Não depende do quadro de referência, o que significa que não depende se essa carga se move ou repousa; é inerente a essa partícula ao longo de sua vida útil; portanto, partículas carregadas elementares são frequentemente identificadas com suas cargas elétricas. Em geral, na natureza existem cargas negativas e positivas. As cargas elétricas dos átomos e das moléculas são iguais a zero, e as cargas dos íons positivos e negativos em cada célula das redes cristalinas de sólidos são compensadas.

Tensão e capacidade de cargas elétricas

As partículas carregadas da mesma polaridade se repelem com uma força que aumenta quadraticamente à medida que a distância entre as partículas diminui. Ao adicionar partículas carregadas a um condutor, a distância entre as partículas diminui; portanto, mais e mais energia é necessária por unidade de carga para adicionar carga adicional. Este é o potencial ou voltagem desse condutor, expresso em volts (V). Um motorista que leva muita carga por volt possui uma alta capacidade. Essa capacidade depende naturalmente das dimensões desse motorista.

Construções especiais foram projetadas para armazenar o máximo de carga possível por volt. Esses componentes são chamados de capacitores; eles usam a força de atração entre partículas com carga oposta em dois condutores espaçados estreitamente, para eliminar a força repulsiva de partículas com carga igual dentro de cada condutor.

A carga também pode ser armazenada em uma esfera de metal isolada do solo (como no gerador vandigra). No entanto, se a carga se tornar muito grande, vazamentos de ar ocorrerão devido à ionização, que pode ser acompanhada de faíscas se houver carga suficiente. A quantidade máxima de carga (e, portanto, também a tensão elétrica) em uma esfera eletricamente condutora depende linearmente do tamanho (diâmetro) dessa esfera. Quando a esfera é ampliada, o perigo para o homem aumenta, porque a descarga pode levar a grandes correntes. Com uma corrente elétrica de mais de 100 mA através do músculo cardíaco de um ser humano, o risco de parada cardíaca é alto.

Forças entre cargas elétricas

A lei de Coulomb expressa a atração ou repulsão de objetos carregados em repouso na forma de uma fórmula. As cargas elétricas causam campos elétricos, independentemente do seu estado de movimento. As forças entre cargas estacionárias são estudadas em eletrostática. Mover cargas elétricas também causa um campo magnético; Esse campo se propaga à velocidade da luz e, por sua vez, influencia as outras cargas móveis. Ou seja, um campo magnético exerce uma força lorentz em uma carga que atravessa a direção do campo, que é perpendicular à direção do campo e à direção do movimento. Essa é a causa do fenômeno de indução, descrito pela lei de Faraday, e também de um efeito de compressão nas transportadoras de carga livre com o mesmo sinal se movendo na mesma direção.

Tanto a atração quanto a repulsão eletrostática e a força de Lorentz estão contidas nas amplas equações de Maxwell do eletromagnetismo.

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Última revisão: 30 de agosto de 2019