Dacă mişcarea particulelor încărcate electric reprezintă fenomenul fundamental, cum putem defini o măsură numerică folositoare pentru ea? Putem spune că debitul unui râu este caracterizat de viteza de curgere a apei, dar viteza nu este caracteristică problemelor electrice, deoarece trebuie să cunoaştem sarcina pe care o au particulele care se deplasează şi, în orice caz, nu există niciun aparat capabil să arate viteza de deplasare a particulelor încărcate electric.
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
CUPRINS
5.2-b Curentul electric
Experimentele arată că intensitatea diferitelor efecte electrice depinde de o cantitate diferită: numărul de coulombi ai sarcinii care trec printr-un punct pe secundă. Prin analogie cu debitul apei, această cantitate se numeşte intensitatea curentului electric, I. Unitatea de măsură pentru intensitatea curentului electric este amperul sau coulomb/secundă, 1A= 1 C/s.
Principala subtilitate prezentă în această definiţie este să găsim o modalitate de a jongla cu două tipuri de sarcină. Jetul de apă care ţâşneşte dintr-un furtun este alcătuit din atomi care conţin particule încărcate electric, însă nu produce niciun efect pe care l-am putea asocia curentului electric. Așa se face că nu eşti electrocutat când eşti stropit cu furtunul.
Acest experiment arată că efectul creat de mişcarea unui tip de particule încărcate electric poate fi anulat de mişcarea celuilalt tip de particule care se deplasează în aceeaşi direcţie. În apă, fiecare atom de oxigen cu sarcina de +8e este înconjurat de 8 electroni cu sarcini negative, şi aşa este şi în cazul atomilor de hidrogen.
Definiţia curentului electric
Prin urmare, rafinăm definiţia curentă după cum urmează:
Atunci când sunt schimbate particule încărcate electric între regiunile din spaţiu A în B, curentul electric care se deplasează de la A la B este:
I = modificarea sarcinii lui B / t , unde t reprezintă perioada în care se execută transferul.
În exemplul furtunului de grădină, corpul tău preia cantităţi egale de sarcini pozitive şi negative, ceea ce înseamnă că sarcina totală a corpului nu s-a schimbat, aşa încât fluxul de curent electric care trece prin tine este 0.
Exemplul 1: ionii care se mişcă de-a lungul unei membrane celulare
În figura f sunt ioni, marcaţi cu sarcina lor, mişcându-se înăuntrul şi în afara celor trei membrane celulare. Dacă toţi ionii trec prin membrane în acelaşi interval de timp, cum s-ar compara curenţii din celule?
· Prin celula A trece curent pozitiv deoarece sarcina acesteia a crescut, cu alte cuvinte a avut loc o schimbare pozitivă a sarcinii.Celula B are acelaşi curent ca celula A, deoarece prin pierderea unei unităţi de sarcină negativă, în final îi va creşte sarcina totală cu o unitate.
· Sarcina totală a celulei C pierde trei unităţi, deci curentul negativ care trece prin C este de intensitate mai mare.
· Celula D pierde o unitate din sarcină, deci prin ea trece un curent negativ de intensitate mică.
Fig. f / exemplul 1
Poate părea ciudat să spunem că o particulă încărcată negativ care se deplasează într-un sens va crea un curent care merge în sens contrar. Aşa cum vom vedea, curenţii (care sunt rezultatul mişcării ordonate a electronilor) trec prin fire metalice, încărcaţi cu sarcini negative, deci direcţia mişcării electronilor în circuit este întotdeauna opusă cu direcţia curentului.
Desigur, ar fi fost mai convenabil dacă Benjamin Franklin ar fi definit semnele pozitive şi negative ale sarcinii în mod invers, din moment ce multe aparate electrice sunt bazate pe fire metalice.
Exemplul 2: numărul de electroni care străbat filamentul unui bec
Dacă printr-un bec trece un curent de 1A, câţi electroni vor trece prin filamentul acestuia timp de o secundă?
Vom calcula doar numărul de electroni care se deplasează, aşa că nu luăm în considerare semnele “+” şi “-“. Rezolvând, ne va da ca în acest interval de timp trece prin filament o sarcină de 1C. Deci numărul de electroni este:
numărul de electroni = coulombi x (electroni / coulombi) = coulombi / (coulombi/elecroni) = 1 C/e = 6,2 x 1018. Asta înseamnă foarte mulţi electroni!
