Solar Energia
La càrrega elèctrica és una propietat física fonamental de la matèria que determina com interactuen les partícules mitjançant forces electromagnètiques. Gràcies a aquesta propietat, els cossos poden atreure's o repel·lir-se entre si i generar camps elèctrics i magnètics.
L' electricitat, el magnetisme i gran part dels fenòmens electromagnètics que observem en la natura tenen el seu origen en la presència i el moviment de les càrregues elèctriques.
Què és una càrrega elèctrica?
Una càrrega elèctrica és una propietat intrínseca de certes partícules subatòmiques que els permet interactuar mitjançant la força electromagnètica.
La unitat de càrrega elèctrica en el Sistema Internacional d'Unitats (SI) és el culombi (C). Un culombi equival a la quantitat de càrrega transportada per un corrent d' un amperi durant un segon:
on:
-
Q és la càrrega elèctrica (C).
-
I és la intensitat de corrent (A).
-
t és el temps (s).
Una característica fonamental de la càrrega elèctrica és que es conserva. Això significa que la càrrega total d' un sistema aïllat roman constant: no es pot crear ni destruir, únicament transferir-se d' un cos a un altre.
A més, la càrrega elèctrica és una magnitud invariant, és a dir, el seu valor no depèn de l' estat de moviment de l' observador.
Estudi dels fenòmens elèctrics
Els fenòmens elèctrics són tots aquells processos físics en què intervenen càrregues elèctriques, ja sigui en repòs o en moviment. Aquests fenòmens són presents en nombrosos aspectes de la natura i la tecnologia, des dels raigs durant una tempesta fins al funcionament dels dispositius electrònics moderns.
L'estudi de l'electricitat forma part de l'electromagnetisme, una de les quatre interaccions fonamentals de la física. Tradicionalment, l' anàlisi dels fenòmens elèctrics es divideix en dues grans branques: l' electrostàtica i l' electrodinàmica.
Electrostàtica
L' electrostàtica és la branca de la física que estudia les càrregues elèctriques en repòs i les forces que exerceixen unes sobre les altres. Se centra a comprendre com es distribueixen les càrregues sobre els cossos i com generen camps elèctrics al seu voltant.
Entre els fenòmens estudiats per l' electrostàtica destaquen:
- L' atracció i repulsió entre cossos carregats.
- L' electrització per fregament, contacte i inducció.
- La distribució de càrregues en conductors i aïllants.
- El comportament dels camps elèctrics i del potencial elèctric.
- El funcionament de dispositius com els condensadors.
La llei de Coulomb constitueix un dels principis fonamentals d'aquesta disciplina, ja que permet calcular la força elèctrica entre dues càrregues puntuals.
Electrodinàmica
L'electrodinàmica estudia el comportament de les càrregues elèctriques quan estan en moviment. Aquestes càrregues en moviment donen lloc als corrents elèctrics i generen camps magnètics, establint una estreta relació entre electricitat i magnetisme.
Aquesta branca analitza aspectes com:
- La circulació de corrent elèctric en conductors.
- La generació i propagació de camps electromagnètics.
- La interacció entre càrregues en moviment i camps magnètics.
- La inducció electromagnètica.
- El transport i transformació d' energia elèctrica.
L'electrodinàmica no només explica el funcionament dels corrents elèctrics en conductors, sinó també tecnologies modernes com els motors elèctrics, els generadors i els sistemes d'energia solar fotovoltaica, on el moviment d'electrons permet convertir la radiació solar en electricitat.
Actualment, gràcies a les equacions de Maxwell, se sap que l'electricitat i el magnetisme són manifestacions d'un mateix fenomen físic: l'electromagnetisme.
Tipus de càrregues elèctriques
Existeixen dos tipus fonamentals de càrrega elèctrica:
Càrrega positiva
La posseeixen els protons. Un cos presenta càrrega positiva quan ha perdut electrons i, per tant, té més protons que electrons.
Càrrega negativa
La posseeixen els electrons. Un cos presenta càrrega negativa quan ha guanyat electrons i té més electrons que protons.
Les càrregues d' igual signe es repel·leixen, mentre que les de signe oposat s' atrauen.
La càrrega elèctrica elemental
La càrrega elemental és la unitat mínima de càrrega elèctrica observada de forma aïllada a la natura. Correspon al valor absolut de la càrrega d' un electró o d' un protó:
Per això, la càrrega elèctrica de qualsevol objecte macroscòpic sempre és un múltiple sencer d' aquesta quantitat.
Hi ha càrregues més petites?
Els quarks posseeixen càrregues fraccionàries equivalents a ±1/3 o ±2/3 de la càrrega elemental. No obstant això, a causa del fenomen de confinament, mai s'observen aïllats, sinó formant partícules compostes com protons i neutrons.
L' electró
L' electró és una partícula subatòmica amb càrrega negativa i una massa en repòs aproximada de:
La seva massa és aproximadament 1.836 vegades menor que la del protó.
En els àtoms, els electrons ocupen regions denominades orbitals al voltant del nucli atòmic i són els principals responsables dels fenòmens elèctrics i químics.
El protó
El protó és una partícula subatòmica amb càrrega positiva que, juntament amb els neutrons, forma el nucli dels àtoms.
El nombre de protons d'un àtom determina el seu número atòmic (Z), que identifica cada element químic de la taula periòdica.
Els protons són partícules extremadament estables i exerceixen un paper fonamental en l' estructura de la matèria.
Llei de Coulomb i forces electrostàtiques
La llei de Coulomb descriu la força elèctrica entre dues càrregues puntuals:
Aquesta llei estableix que:
-
La força és directament proporcional al producte de les càrregues.
-
La força disminueix amb el quadrat de la distància que les separa.
-
Les càrregues del mateix signe es repel·leixen.
-
Les càrregues de signe oposat s' atrauen.
Camps elèctrics i magnètics
Les càrregues elèctriques generen un camp elèctric al seu voltant, independentment que estiguin en repòs o en moviment.
Quan les càrregues es desplacen formant un corrent elèctric, també generen un camp magnètic. La interacció entre camps elèctrics i magnètics constitueix la base de l' electromagnetisme.
A més, una càrrega que es mou dins d'un camp magnètic experimenta una força denominada força de Lorentz, fonamental per al funcionament de motors elèctrics, generadors i nombrosos dispositius tecnològics.
Voltatge i emmagatzematge de càrrega
A mesura que s'afegeix càrrega a un conductor, augmenta l'energia necessària per incorporar càrregues addicionals a causa de la repulsió electrostàtica entre elles.
Aquesta energia per unitat de càrrega es denomina potencial elèctric o voltatge i es mesura en volts (V).
Condensadors elèctrics
Els condensadors són dispositius dissenyats per emmagatzemar energia elèctrica. Estan formats per dos conductors separats per un material aïllant i aprofiten l'atracció entre càrregues oposades per acumular energia.
S' utilitzen en circuits electrònics, fonts d' alimentació, sistemes de filtratge i emmagatzematge temporal d' energia.
Emmagatzematge de càrrega en conductors
La càrrega elèctrica també es pot emmagatzemar en conductors aïllats, com una esfera metàl·lica. La capacitat d' emmagatzemar càrrega depèn de la seva mida, forma geomètrica i del medi que l' envolta.
Aquesta propietat es coneix com a capacitat i constitueix un dels conceptes fonamentals de l' electrònica i l' enginyeria elèctrica.