Electricitatea statica

Materia electrica

b. Atractii si respingeri intre particulele subatomice

Protonii, neutronii si electronii se atrag cu toti intre ei prin forte gravitationale. Forta gravitationala dintre doua particule este proportionala cu produsul maselor lor. Astfel, protonii si neutronii contribuie cu aproximativ 99,9% la atractia dintre Pamint si corpul vostru, electronii avind o contributie foarte mica. Forta gravitationala scade pe masura ce particulele sunt mai indepartate, fiind invers proportionala cu patratul distantei dintre ele. Atractia gravitationala este cauza care face ca Pamintul sa nu se desfaca in bucati si sa se imprastie in spatiu, care obliga luna sa se invirta in jurul Pamintului si planetele sa se roteasca in jurul Soarelui.

In afara de fortele gravitationale, intre particulele subatomice exista, insa, si un alt tip de forte, numite electrice. Ca si cele gravitationale, fortele electrice scad cind particulele sunt mai indepartate, fiind invers proportionale cu patratul distantei. Fortele electrice actioneaza in felul urmator: protonii se resping intre ei, electronii se resping intre ei, dar protonii si electronii se atrag reciproc. Neutronii nu participa de loc la acest joc.

Ce putem spune despre marimea acestor forte? Mai intii, ca, pentru aceeasi distanta de separare, marimea fortei este aceeasi in toate trei situatiile. Doi protoni se resping exact cu forta cu care se resping doi electroni, aceeasi cu care se atrag un proton si un electron. Aceasta egalitate stricta conduce la un efect uimitor: daca numere egale de protoni si electroni exista intr-o regiune restrinsa, acestia vor exercita o forta electrica totala nula asupra unui alt proton (sau electron). Efectele electrice ale protonilor si electronilor se anuleaza reciproc, se neutralizeaza. Am descoperit, astfel, cauza fenomenelor pe care le explicam prin prezenta unor "sarcini electrice", fara sa putem spune atunci ce anume sunt acele sarcini. Vedem acum ca sarcina electrica nu este ceva suplimentar structurii corpurilor ci materia insasi din care sunt alcatuite corpurile este electrica. Sarcina electrica este o proprietate esentiala a particulelor subatomice. Urmind conventia stabilita de Franklin, protonii au sarcina pozitiva, electronii au sarcina negativa iar neutronii au sarcina zero. In plus, sarcina unui proton este strict egala, in valoare absoluta, cu sarcina unui electron. Notind valoarea absoluta a acestei sarcini cu e, protonul are sarcina +e iar electronul are sarcina -e, e fiind o marime pozitiva. Din considerente istorice, in multe carti sarcina e este numita "sarcina electronului", dar nu trebuie uitat ca ea este valoarea absoluta a acesteia.

Avem acum o unitate naturala pentru sarcina electrica, unitate pe care am notat-o cu e; astfel putem scrie ca sarcina totala a 5 protoni este 5 e. Aceasta unitate este utila atunci cind studiem procese la scara atomica. Sistemul International de Unitati utilizeaza o alta unitate pentru sarcina electrica, convenabila pentru studiul curentilor electrici. Aceasta este coulombul, notat prescurtat cu litera C. Exprimata cu aceasta unitate, sarcina e are valoarea 1 e=1,6^.10^-19 C. In urma dezmembrarii imaginare a unui miligram de materie am obtine o sarcina pozitiva de ordinul a 5000 C si o sarcina negativa strict egala cu ea (in valoare absoluta).

In experimentele reale de electrizare, din cauza fortelor imense de respingere, sarcina separata abia ajunge, insa, la o milionime de coulomb. In cazul curentului electric prin conductoare, sarcina vehiculata este circulata printr-un mediu practic neutru, nu este separata. Astfel, prin filamentul becului din farul unui automobil o sarcina de un coulomb este vehiculata intr-o fractiune de secunda.

Protonii si electronii sunt numiti adesea in textele fizicienilor "purtatori de sarcini", despre ei spunindu-se ca sunt "incarcati" cu sarcina electrica. Aceste expresii, ramase in limbajul utilizat de fizica de pe vreme cind nu se stia, de fapt, ce este sarcina electrica, pot produce confuzii incepatarului neavizat. De aceea, trebuie subliniat ca sarcina este o proprietate intrinseca a acestor particule, ea nu li se poate da si nu li se poate lua. Daca exista, un proton are todeauna sarcina electrica +e iar un electron are sarcina electrica -e.

Nu exista fragmente de electron sau fragmente de proton; intodeauna vom avea intr-un sistem fizic un numar intreg pozitiv de protoni, N_p , si un numar intreg pozitiv de electroni N_e . Rezulta de aici ca sarcina totala este (N_p-N_e)^.e, adica un multiplu intreg (pozitiv sau negativ) al lui e. In afara de protoni, neutroni si electroni (care sunt "caramizile" din care este constituita materia obisnuita), fizicienii au descoperit o multitudine de alte particule. Nici una dintre cele care pot fi observate ca particule izolate nu are, insa, o sarcina electrica mai mica decit e. Exista, deci o sarcina sarcina electrica minima ce poate fi observata, numita elementara, egala cu e. Din acest motiv, sarcina e este numita sarcina elementara. Orice cantitate de sarcina este un multiplu intreg al acestei sarcini elementare. Pentru ca nu poate lua orice valoare, ci numai una dintr-un sir discret de valori, sarcina electrica este o marime cuantificata. Valorile pe care le poate lua sarcina electrica sunt multipli intregi (pozitivi sau negativi) ai sarcinii elementare.

Dar cit de mare este forta electrica in comparatie cu cea gravitationala? Cum ambele depind in acelasi mod de distanta, comparatia este usor de facut. Pentru orice distanta de separare, forta electrica intre doi protoni (sau doi electroni) este de 124.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 ori mai mare decit forta gravitationala. Altfel spus, fortele electrice sunt de 10³⁶ ori mai intense decit cele gravitationale (cu 36 de ordine de marime).

Cum se face atunci ca simtim atractia gravitationala a Pamintului si nu atractia sa electrica? De ce intre corpurile de dimensiuni macroscopice care ne inconjoara, fortele gravitationale domina, de regula, fortele electrice? Aceasta se intimpla deoarece sarcina pozitiva (a protonilor) continuta in corpurile respective este strict egala cu cea negativa (a electronilor) si, privita la nivel macroscopic, materia electric pozitiva este extrem bine omogenizata cu materia electric negativa. Astfel, orice regiune macroscopica a corpurilor are sarcina electrica zero. Daca reusim sa stricam cumva echilibrul numeric intre protoni si electroni, corpul respectiv este "electrizat" si fortele electrice pot fi puse in evidenta.

Fortele electrice dintre Pamint si Luna sunt complet neglijabile deoarece pentru fiecare dintre aceste corpuri exista un echilibru numeric fantastic de precis intre protoni si electroni. Ca sa va dati seama cit de exact este acest echilibru, imaginati-va ca pentru populatia umana a Pamintului (de ordinul de marime a 10 miliarde), numarul barbatilor ar fi diferit de cel al femeilor doar cu o unitate. Ati fi tentati sa credeti ca acesta este un echilbru numeric foarte bun. Daca insa ati indeparta, din Pamint si din Luna, cite un electron la fiecare 10 miliarde de electroni, pentru a produce acelasi dezechilibru numeric, forta electrica de respingere aparuta ar fi de 10²⁶ ori mai mare decit atractia gravitationala si cele doua corpuri ar fi azvirlite in spatiu cu acceleratii fantastice. Ca sa produceti doar compensarea atractiei gravitationale si corpurile sa se desparta "amical", este suficient sa indepartati doar un electron la fiecare miliard de miliarde de miliarde de miliarde de electroni.