Che cos'è una carica?

Sono uno studente delle superiori. Adoro i computer e l'elettronica. Poche settimane fa, ho pensato di costruire il mio gadget elettronico ma, sfortunatamente, non avevo molta conoscenza dell'elettronica. Quindi, ho deciso di imparare. Dopo aver cercato su Google qua e là, mi sono imbattuto in una grande quantità di informazioni. Nulla, tranne una cosa, che mi scoraggia e mi intimidisce è che cosa significa il termine carica ? Nessuno dei libri dice cosa significhi. Alcuni dicono che è la proprietà di base della questione e solo e non ne definiscono ulteriormente. Mentre alcuni non si preoccupano nemmeno di raccontarlo. Su Wikipedia è definito come:

La carica elettrica è la proprietà fisica della materia che provoca una forza quando si avvicina ad altra materia caricata elettricamente.

La definizione è piuttosto difficile e confusa. Allo stesso modo dai tutorial del sito Web All About Circuits ho ottenuto un diverso tipo di definizione e comprensione.

Dai libri, sono venuto a sapere che non sappiamo ancora molto delle accuse, anche i grandi scienziati come Sir Stephen Hawking non ne sanno molto. È corretto? In caso contrario, perché è stato scritto nei libri (intendo qui libri non un libro), qual è la sua definizione corretta? Perché la maggior parte dei libri non definisce quali costi sono / sono?

Come Ali ha detto, la carica è una proprietà (o caratteristica o caratteristica) di una particella. La particella potrebbe essere un atomo o potrebbe essere solo una parte di un atomo come un elettrone o un protone.

Sfortunatamente, non possiamo davvero dire molto sul motivo per cui le particelle hanno questa proprietà o cosa causa l'esistenza di questa proprietà. Possiamo solo descrivere alcune cose che osserviamo su questa proprietà che chiamiamo carica .

• L'accusa è di due tipi, che etichettiamo arbitrariamente come "positivo" e "negativo".

• Le cariche positive si respingono con una forza che possiamo misurare, le cariche negative si respingono in modo simile e le cariche opposte si attraggono.

• Scopriamo che ci sono componenti di atomi chiamati "protoni" ed "elettroni" che sono sempre carichi positivamente e negativamente, rispettivamente.

• La carica è conservata. Ciò significa che, in tutti gli esperimenti che abbiamo provato, la differenza tra la quantità di carica positiva e negativa in un sistema chiuso è la stessa alla fine dell'esperimento come era all'inizio dell'esperimento, e quindi crediamo che sia vero per tutti i sistemi chiusi nell'universo.

Anche se non sappiamo quale sia la carica o da dove provenga, la descrizione di ciò che fa è sufficiente per prevedere molte cose utili e creare molti strumenti utili come radio e computer.

Per semplicità, per ora (una volta che sarai arrivato alla fisica del college, questo verrà espanso), la carica è accumulata da elettroni o la mancanza di elettroni dove ti aspetteresti che ce ne siano. Gli elettroni hanno carica negativa e protoni carica positiva. Un atomo normale ha lo stesso numero di elettroni dei protoni, quindi nessuna carica netta.

Su alcuni atomi, i pochi elettroni esterni sono in qualche modo "sciolti". Quando hai un sacco di questi atomi uno accanto all'altro, come gli atomi di rame in un filo di rame, questi elettroni sciolti possono saltare tra gli atomi adiacenti. Tuttavia, se saltano troppo lontano, lasciano una carica positiva (dal momento che una negativa è andata via) dove hanno lasciato, e una carica negativa dove sono. Questo squilibrio di cariche crea un campo elettrico , a cui puoi pensare come un campo di forza che spinge e tira gli elettroni. Gli elettroni vengono spinti verso cariche positive e spinti via da quelli negativi. Questo campo elettrico non permetterà quindi agli elettroni di liberare una posizione e accumularsi in un'altra nello spazio di alcuni atomi.

Una fonte di tensione, come una batteria, è qualcosa che crea un campo elettrico. Se si collegano le estremità opposte della batteria alle estremità opposte di questo filo di rame con tutti gli elettroni un po 'mobili, è possibile ottenere in media tutti gli elettroni che si spostano dall'estremità di tensione negativa del filo all'estremità di tensione positiva. Per mantenere il campo elettrico applicato al filo, la batteria quindi pompa gli elettroni che scorrono dall'estremità + del filo sull'estremità - del filo, dove saltano di nuovo tra gli atomi di rame e finiscono di nuovo all'estremità + .

Il movimento di massa degli elettroni si chiama corrente , che è il flusso di cariche. Questo è molto simile alla corrente in un fiume che scorre un sacco di piccole molecole d'acqua. Poiché la carica di un elettrone è molto minuscola e di scarsa utilità alla nostra scala umana, usiamo un'unità di carica chiamata Coulomb . Tuttavia, un Coulomb è solo un mucchio di carica calibrato. In realtà, vale circa 6,24 x 10 ¹⁸ cariche di elettroni. In realtà sono -6,24 x 10 ¹⁸ elettroni poiché abbiamo arbitrariamente deciso che gli elettroni hanno carica negativa.

Ancora una volta per mantenere più piacevole l'intervallo di numeri su scala umana, misuriamo la corrente in Ampere , che è un Coulomb di carica che scorre ogni secondo. Quindi se hai 1 Ampere (a volte "Amp" o l'abbreviazione ufficiale "A") che scorre da sinistra a destra in un filo, allora ci sono 6.240.000.000.000.000.000.000 di elettroni che scorrono da destra a sinistra al secondo oltre un punto lungo quel filo.

Ora che hai un'idea di base su cosa siano la carica e la corrente, dimentica gli elettroni che si muovono con le loro cariche negative. Il resto dell'elettronica è interamente costruito su Amp e Coulombs. Pensa a questo come alle unità concettuali di corrente e carica che utilizzerai da qui in poi. Il fatto che questi accadano (di solito) sulla base di effettive cariche negative è irrilevante e non fa che suscitare confusione.

Quindi ora torniamo a quella batteria che ha causato corrente nel nostro filo. Una batteria è davvero solo una pompa per la ricarica. In altre parole, può rendere attuale. Tuttavia, c'è un'altra metrica che è importante menzionare qui, che è la forza della batteria. Una batteria può essere in grado di spingere più forte in carica di un'altra, proprio come una pompa dell'acqua può fare una pressione più alta di un'altra. È questa pressione che fa muovere il campo elettrico che fa muovere le cariche, che è attuale. Questa pressione elettrica è misurata in unità di Volt . Più Volt può accumulare una batteria, maggiore è la corrente che può far fluire attraverso la stessa resistenza . Questo è proprio come una pompa dell'acqua a pressione più elevata può far fluire più acqua attraverso gli ugelli delle stesse dimensioni.

Quindi, come possiamo mettere in relazione tensione, corrente e resistenza? Come probabilmente vedrai più tensione (pressione) rende più corrente (flusso), ma una maggiore resistenza (ugello più piccolo) fa meno flusso. Per dirlo matematicamente:

  corrente = tensione / resistenza

Questo ci dà anche una definizione di resistenza riorganizzando questa equazione:

  resistenza = tensione / corrente

Il concetto di resistenza emerge molto nell'elettronica, quindi abbiamo un'unità speciale solo per misurarla, chiamata Ohm . In effetti, l'Ohm è definito come:

  Ohm = Volt / Ampere

Abbiamo abbreviazioni brevi per tutte e tre queste quantità poiché quasi tutta l'elettronica si basa su di esse. A Volt è abbreviato "V", Ampere come "A" e Ohm con la lettera greca "Ω".

Questa equazione che mette in relazione resistenza, tensione e corrente è una pietra miliare dell'elettronica e si chiama Ohm's Law , dal nome del ragazzo che l'ha inventata per la prima volta.

Torniamo alla prima forma della legge di Ohm che ho mostrato, che ci dice quanta corrente otteniamo:

  In quantità fisiche: corrente = tensione / resistenza
  In unità comuni: Amp = Volt / Ohm o A = V / Ω

È già molto da pensare. Cerca di concentrarti su questo prima di andare oltre. Poni domande qui perché devi capirlo. Una volta ottenuto questo, possiamo passare a tutti i tipi di cose interessanti.

La risposta di Olin è eccellente. Aggiungerei che un'analogia potrebbe aiutare.

(Ai fini di questa analogia ignoriamo tutto dopo Newton. La relatività generale e il bosone di Higgs sono interessanti ma non aiuteranno a capire l'accusa.)

Probabilmente hai una comprensione istintiva della massa , in particolare della massa gravitazionale . Ma cos'è?

La massa gravitazionale è una proprietà della materia che le fa sperimentare una forza - chiamata gravità - quando è vicina ad altra materia con massa. La quantità individuale di massa di un atomo è molto, molto piccola, ma ne abbiamo molte e possono sommarsi per creare masse molto grandi.

Sebbene tutti gli atomi abbiano una piccola quantità di massa, alcuni ne hanno molto più di altri. Se hai una sacca di idrogeno e una sacca di piombo con lo stesso numero di atomi in ognuna, una sarà molto più massiccia dell'altra.

Una descrizione numerica di come un oggetto voluminoso influisce su un altro si chiama campo gravitazionale . Se immagini una grande massa - la Terra, diciamo - e immagini una piccola massa - una sfera con un cuscinetto, per esempio - sospesa magicamente in un punto sopra la Terra, se improvvisamente la lasci magicamente muovere, si muoverebbe in un direzione particolare - verso il centro della Terra. Immagina la Terra circondata da un campo di piccole frecce, tutte puntate nella direzione in cui cadrebbe il cuscinetto a sfere. La lunghezza della freccia indica la forza di trazione del cuscinetto a sfera: molto dura vicino alla superficie della terra, quasi mai oltre l'orbita della Luna. Quel "campo" di frecce è il campo gravitazionale della Terra.

La carica è molto simile alla massa gravitazionale. Come la massa, è una proprietà fondamentale della materia. Come la massa, fa sì che due oggetti sperimentino una forza tra loro. Come la massa, così come alcuni tipi di materia sono più massicci di altri, così anche alcuni tipi di materia sono più inclini a produrre carica di altri. Come la massa, puoi prendere una grande fonte di carica e immaginare un campo di frecce attorno ad essa che ti dice in quale direzione e quanto forte sarebbe la forza su una piccola carica posta lì; quello è il campo elettrostatico .

In che modo quindi la carica e la massa sono diverse? Le principali differenze tra carica e massa sono:

(1) La massa viene solo in un tipo, la carica viene in due tipi. Tutta la massa è attratta da tutte le altre masse. Come le cariche si respingono, diversamente dalle cariche che si attraggono.

(2) Le forze di carica sono enormemente più grandi delle forze gravitazionali. Strofina un palloncino sui capelli e incollalo al soffitto. Le forze di carica in quel pallone sono sufficienti per superare l'attrazione di un oggetto delle dimensioni della Terra! (Anche se, certamente, le distanze sono rilevanti. Il tuo palloncino è a migliaia di metri dal centro della Terra e molto vicino al soffitto.) La forza tra le masse è assurdamente piccola rispetto alla forza tra le cariche.

(3) La carica è estremamente facile da spostare rispetto alla massa. Il movimento della carica attraverso un conduttore è una frazione significativa della velocità della luce. (Il movimento di singole particelle cariche può essere lento; pensaci come accendere un rubinetto collegato a un tubo molto lungo già pieno d'acqua. L'onda di pressione che spruzza acqua dall'estremità commerciale del tubo viaggia molto più velocemente nel tubo rispetto a fa l'acqua che esce dal rubinetto.)

La carica elettrica è la proprietà fisica della materia che provoca una forza quando si avvicina ad altra materia caricata elettricamente.

Mi sembra una definizione abbastanza buona. Per citare Richard Feynman:

"Non possiamo definire nulla con precisione! Se proviamo a farlo, entriamo in quella paralisi del pensiero che arriva ai filosofi, che si siedono uno di fronte all'altro, uno che dice all'altro:" Non sai di cosa stai parlando! " Il secondo dice "Che cosa vuoi dire con sapere? Che cosa intendi per parlare? Che cosa vuoi dire con te?", E così via. "

Vedi la simmetria lì! La carica è alla forza elettrica quale massa è alla forza gravitazionale! Ci sono alcuni assimetri come il fatto che la carica ha un sapore positivo e negativo, mentre la massa può essere solo positiva, ma per ora non preoccuparti.

Buona fortuna con il vostro progetto!

una cosa, che mi scoraggia e mi intimidisce è che cosa significa il termine carica?

Prima un po 'di background ...

Attualmente, riteniamo che, date le osservazioni e i risultati sperimentali finora, ci siano quattro " interazioni fondamentali " e l'interazione elettromagnetica è una di quelle quattro.

Che cos'è un'interazione fondamentale ? Dall'articolo di Wikipedia collegato:

Le interazioni fondamentali, chiamate anche forze fondamentali o forze interattive, sono modellate nella fisica fondamentale come modelli di relazioni nei sistemi fisici, che si evolvono nel tempo, che sembrano non riducibili alle relazioni tra entità più basilari .

Immagina di osservare che due oggetti si attraggono o si respingono a vicenda ma che detti oggetti non attirano o respingono altri oggetti. Nel tentativo di spiegare o modellare questo, potresti ipotizzare che i due oggetti interagenti abbiano una proprietà che gli altri oggetti non hanno. Si potrebbe anche chiamare questa proprietà a pagamento . Si potrebbe ulteriormente ipotizzare, dopo ulteriori osservazioni, che esistono due tipi e che "le cariche opposte si attraggono" e "le cariche simili si respingono".

In alcuni casi, l'interazione può essere spiegabile con altri fenomeni noti o può essere che determiniamo che l'interazione è semplicemente - è data e il meglio che possiamo fare è modellare l'interazione senza essere per spiegarla in termini di qualcosa " più fondamentale '.

Questo è ciò che facciamo con la carica elettrica e l'interazione elettromagnetica. Osserviamo e tentativo di modellare matematicamente e uso nozioni come carica elettrica e campo elettrico etc.

Ad un certo punto, si può scoprire un altro, più fondamentale 'layer' alla realtà ed essere in grado di rispondere alla domanda "che cosa è carica elettrica?" in quei termini.

Ad esempio, alcuni teorici immaginano che la carica elettrica sia in realtà una modalità vibrazionale di un'entità 1D fondamentale - una superstringa supersimmetrica - che in qualche modo "vive" in 10 o 11 dimensioni di cui 3 sono le nostre dimensioni spaziali "ordinarie".

Ma questo in realtà solo porta alla domanda "ma cosa è questa roba più fondamentale?" Che cosa è una delle superstringhe supersimmetrica?

A questo punto, non è meglio a chiedersi che cosa carica elettrica è , ma, piuttosto, a chiedersi come funziona , per esempio, la legge di Coulomb .

Inoltre, se sei interessato a imparare l'elettronica pratica, dovrai davvero concentrarti sulla teoria dei circuiti che è più interessata alla tensione e alla corrente piuttosto che alla carica elettrica.

Trovo utile pensare alla carica come a una cosa , sulla falsariga di "un elettrone equivale a un pezzo di carica". Non penso che molti concetti in elettronica corrispondano direttamente al concetto di un oggetto fisico come questo.

Se la carica è una cosa , allora "tensione" descrive la quantità di energia associata a una carica particolare (forse in modo analogo a come un oggetto potrebbe essere caldo o freddo) e "corrente" è la quantità di carica che fluisce attraverso un filo in un dato tempo. La tensione su un condensatore è proporzionale alla quantità di carica immagazzinata sui suoi piatti, dove la costante di proporzionalità è la dimensione del condensatore. E così via.

È estremamente semplicistico, ma potresti trovarlo un utile modello mentale con cui iniziare.

Da aggiungere all'immagine mentale di Olin.

Pensa alla batteria o all'alimentazione come a qualcosa che può prendere elettroni da un lato e accumularli sull'altro in modo da avere una fame da un lato del circuito e un eccesso dall'altro. Il lato affamato inizia quindi a strappare quegli elettroni sciolti dagli atomi su quell'estremità del circuito, causando un effetto a catena o increspatura. come una brigata a secchio gli elettroni sciolti saltano da un atomo all'altro verso il lato affamato della batteria, e come puoi immaginare quando segui quel circuito fino all'altra estremità della batteria dove gli atomi hanno troppi elettroni che sono felice di distribuirli agli atomi nel circuito che poi li passano in giro. più la batteria può morire di fame da un'estremità e eccedere l'altra, più velocemente gli atomi nel circuito tentano di compensare spostando quei pezzi di ricambio attorno al circuito. Il flusso di questi ricambi attorno al circuito è attuale. La batteria che ha un'eccedenza da un lato e la fame dall'altro è la tensione.

Ora, in che modo la batteria muore di fame un'estremità di elettroni e le dà all'altra? Bene, questa è la magia delle batterie e una domanda separata. A volte è una cosa chimica, un effetto collaterale delle reazioni chimiche. Ma dipende dalla tecnologia della batteria. Allo stesso modo cosa succede se non è una batteria lascia dire ma una verruca a muro invece o CA che esce dalla presa a muro? Un'altra buona domanda.

Trovo più facile pensare al flusso di elettroni come penseresti dell'acqua nei tubi, qualcosa che puoi visualizzare perché molto probabilmente hai sperimentato tubi o tubi e acqua. L'acqua viene pompata da un'estremità della batteria all'altra, spingendola attraverso il tubo (circuito) e atterrando nell'estremità affamata della pompa, per essere spinta di nuovo attraverso. Perdiamo un po 'd'acqua nel processo, quindi nel tempo la pompa non ha abbastanza acqua per far funzionare più la cosa (la batteria è scarica). I resistori sono solo dei nodi nel circuito che rallentano l'acqua. i fili più grandi sono come un tubo più grande attraverso il quale è possibile spostare più acqua. La velocità dell'acqua è la corrente, hmmm ... e così via.

La risposta più precisa sarebbe "nessuno lo sa". Tuttavia, possiamo ancora studiarne le proprietà.

Possiamo modellare il mondo intero in termini di "campi". Un campo è come un foglio di gomma allungato. Il foglio non deve essere piatto; in alcuni punti può sollevarsi e in altri punti può calare. Queste deviazioni agiscono come una carica. Certo, il mondo reale è 3D ma un foglio è solo un modello 2D.

Esistono diversi tipi di campi, in base al modo in cui la loro carica può comportarsi.

Esiste un campo in cui la carica può andare solo "a senso unico", ad esempio il foglio potrebbe avere solo dossi verso l'alto, non verso il basso. Chiamiamo questa gravità di campo e questa carica "a senso unico" si chiama massa. Due masse (protuberanze) si attrarranno sempre, ma la massa è piuttosto debole: i dossi non sono molto alti. Ecco perché un piccolo razzo è in grado di allontanarsi dalla Terra, sopraffacendo la massa di tutto il pianeta. Tuttavia, poiché tutti i dossi vanno allo stesso modo, si accumuleranno sempre, il che si traduce in enormi strutture come le galassie. L'unico motivo per cui tutto non è stato attratto da un enorme nodulo è perché l'Universo si sta espandendo, il che diffonde tutto più velocemente di quanto la gravità possa raggruppare insieme.

Esiste un campo diverso in cui la carica può andare in "due modi", ad esempio dossi verso l'alto e bassi verso il basso. Questo è il campo elettromagnetico su cui si basa l'elettronica. La carica in questo campo è chiamata "carica elettrica", o semplicemente "carica", e distinguiamo tra le due "direzioni" chiamando una "positiva" e l'altra "negativa". Queste cariche sono più forti della massa, che possiamo vedere se usiamo un'asta carica per raccogliere pezzi di carta. Tuttavia, a differenza della massa, simili cariche si respingono a vicenda (positivo-positivo o negativo-negativo) e si attraggono cariche opposte. Questo fa sì che la carica elettrica si mescoli, come mescolare la vernice bianca con la vernice nera, in modo che il risultato sia "neutro" e non abbia molto effetto su scale (galattiche) molto grandi. Tuttavia, la fisica quantistica impedisce a tutto di mescolarsi completamente; quando guardiamo abbastanza vicini, ci sono piccoli grumi indivisibili di carica positiva e negativa. Questi di solito sono elettroni e protoni, ma sono mescolati insieme in piccoli grumi neutri chiamati atomi. L'elettronica consiste nel muovere gli elettroni tra gli atomi (nota che tirare un elettrone lontano da un atomo non equivale a "dividere l'atomo", il che significa qualcos'altro!).

Esiste un altro tipo di campo in cui la carica può andare in tre "direzioni". Questo è chiamato il (forte) campo nucleare e si comporta in modi molto strani. La carica di questo campo è conosciuta come "colore", con le "direzioni" chiamate "rosso", "verde" e "blu". Si noti che questi sono solo nomi inventati, come "positivo" e "negativo", per assicurarsi che tutti parlino della stessa cosa. Le parole stesse non significano nulla.

Se immaginiamo questi campi come fogli di gomma, possiamo impilarli uno sopra l'altro. Ci saranno schemi nella carica: il dosso di solito si allinea, in modo che, ad esempio, una carica elettrica si muova con una massa. Chiamiamo questi modelli "fermioni" e diamo alcuni nomi come "elettroni", "pioni", ecc.

Possiamo anche fare onde sui fogli. Le onde sul foglio elettromagnetico corrispondono alle onde luminose.

Di solito viene menzionato un altro campo, chiamato campo "nucleare debole", ma la recente scoperta del bosone di Higgs mostra che questo potrebbe effettivamente far parte del campo elettromagnetico (una teoria nota come il campo "elettrodebole").

Una carica è una proprietà che hanno alcune particelle elementari. Come l'elettrone (che ha una carica negativa) e il protone (che ha una carica positiva).

Le cariche vengono misurate in coulomb (leggi KOOLON) dopo uno scienziato francese. L'elettrone ha -1,6 * 10 ^ -19 C (carica negativa) e il protone ha + 1,6 * 10 ^ 19 C.

Le cariche (o particelle che hanno queste cariche) di polarità opposte si attraggono e quelle con le stesse polarità si respingono a vicenda. Chiedere "perché" a questo livello è come chiedere perché esiste l'universo, quindi le cose diventeranno filosofiche da qui. È solo il modo in cui funziona l'universo. Quindi sì ... Non sappiamo perché esiste un addebito o come ... o cosa sia esattamente. Lo chiamiamo semplicemente "proprietà". E descriviamo solo cosa fa o come si comporta. Si noti che avremmo potuto invertire arbitrariamente le polarità delle cariche (un elettrone avrebbe una carica positiva e un protone ne avrebbe una negativa) e tutto continuerà a funzionare come prima. Perché è ancora una descrizione valida.

La carica non è una proprietà dell'atomo. Atomi (nel loro stato non ionizzato) sono tutti neutri (non hanno carica netta: numero di elettroni == numero di protoni) Ora se in qualche modo un atomo perde un elettrone, il numero di cariche positive (dai protoni) sarà maggiore di il numero di cariche negative, quindi sembra che l'atomo (ora chiamato Ion / stato ionizzato) abbia una carica positiva!

Una corrente è un flusso di cariche. Alcuni esempi potrebbero essere:

Il flusso di elettroni in un metallo (cariche negative) è ciò che si misura come una corrente in un filo di rame.

Il flusso di ioni (i suddetti atomi ionizzati) è ciò che costituisce la corrente nelle soluzioni elettrolitiche.

Supponi di avere una particella o un gruppo di particelle. Crea una superficie gaussiana chiusa attorno ad essa. Quindi la carica può essere definita come l'integrale di superficie del flusso del campo elettrico attraverso la superficie gaussiana divisa per la costante di permittività. So che questo non è quello che stavi cercando (è chiaramente andando essere sopra la testa), ma ho pensato che potrebbe essere una buona aggiunta alle altre risposte qui che fanno rispondere alla tua domanda. O in altre parole, la carica è la misura in cui qualcosa esiste in una forma costante non neutrale.