Electricitate pozitivă și negativă

Deja mai bine de 200 de ani în urmă era cunoscut faptul, că în natură există două tipuri de sarcini electrice. Conform lui Benjamin Franklin, ele se numesc sarcini pozitive și negative. Purtătorii de bază a sarcinii negativă sunt desigur electronii, care formează partea exterioară a tuturor atomilor. Sarcina pozitivă se concentrează în nucleele atomilor, purtătorii ei sunt protonii. În majoritatea cazurilor la scară macroscopică substanța este neutră, deoarece mărimea sarcinii negative a electronului este egală după mărime cu sarcina protonului, iar toți atomii în stare neutră conțin numere egale de protoni și electroni.

Transportul sarcinii elecrtice în corpuri în majoritatea cazurilor are loc în rezultatul mișcării electronilor; mai masive, pozitiv încărcate nuclee aproape în toate fenomenele electrice rămân aproape nemișcate. Astefel de spus, dacă substanța are sarcină negativă, atunci acest fapt este condiționat, că ea conține un surplus de electroni; are sarcina pozitivă este condiționată de lipsa de electroni. Însă numărul de atomi în aceste cazuri rămânene neschimbat.

Un șir de substanțe (la fel și metalele) posedă o proprietate interesantă: în ele o parte din electroni nu sunt legați cu atomi concreți, și liber se propoagă în substanță. Astfel de substanțe se numesc conductoare. Dacă pe un conductor de plasat o sarcină electrică, atunci ea repede se va scurge pe ea. Însă dacă de plasat sarcina electrică pe un izolator, atunci sarcina va rămâne în poziția, în care a fost plasată. În izolatoare (la ele se refeăr, de exemplu, sticla, masaplastică) nu-s electroni liberi, și electricitate în ele nu poate simplu în ele să se scurgă.

Fig. 1 Sarcinile de același semn se resping, iar cu semne diferite se atrag.

Proprietatea de bază a sarcinilor electrice constă în faptul, că sarcinile de acelși tip se resping, iar de semne diferite se atrag. Această proprietate ușor poate fi demonstrată cu ajutorul a simple experiențe. Dacă bastonașul de sticlă de frecat cu mătase, în rezultatul frecării electronii vor trece de pe bastonaș pe mătasă și bastonașul de sticlă se va încărca pozitiv. Pe de altă parte, dacă bastonașul de cauciuc de îl frecat cu o bucată de blană, atunci electronii vor trece de pe blană pe bastonaș și el va deveni încărcat negativ. Dacă acum pe două fire de ață de suspendat bile ușoare (de exemplu, din staniolă) vezi figura 1 și de atins amblele bilee cu bastonașul de sticlă, atunci sferele vor obține sarcini pozitive și vor începe să se respingă între ele. Dacă însă de atins una din bile cu bastonașul de cauciuc, frecat cu blană, atunci bila va acumula sarcină negativă, și ambele bile se vor atrage.

Aceste experiențe evident demonstrează atracția și respingerea sarcinilor. Ele de asemnea ne indică, că bastonașul de sticlă poartă sarcină, opusă după sens a bastonașului de cauciuc. Însă pentru a stabili, pe carfe din bastonașe se află sarcina pozitivă, iar pe care cea negativă (din condiție electronii poartă sarcină negativă), avem nevoie de alte experiențe.

Electroscopul

Un aparat simplu, destinat depistării sarcinilor electrice, este electroscopul vezi figura 2. Este după esență un ”detector” de sarcină electrică din două bile de staniolă suspendate de fire, însă în el în loc de bile se folosesc două plăci metalice subțiri sau două folii de staniolă. Pentru ca electroscopul să fie sensibil, folii trebuie să aibă o masă foarte mică. Atunci, încărcându-se ele se vor abate mai observate. De obicei aceste folii se confecționează din aur, care este simplu de comprimat și de  pregătiit în folii subțiri. Pentru a exclude mișcarea foliilor față de fluxurilor de aer, pe ei de obicei îi depun în cutie transparentă din izolator (de exemplu din sticla sau plexiziat). Pentru a exclude mișcarea peliculelor de staniolă de la fluxurile de aer efectuarea contactului are loc prin intermediul unui ax conductor subțire fig.2. În extrimitate de sus a axului se fixează o bilă metalică sau o placă. Dacă foliilor electroscopului prin intermediul atingirii de bilă de îi transmis sarcină electric (indifferent de semn), atunci foliile se vor abate sub un anumit unghi din cauza respengerii, cu cât sarcina este mai mare, cu atât va fi mai mare unghiul.

Fig. 2 Cele trei etape a încărcării electroscopului.

Procesul de încare a electroscopului se desfășoară în următoarele trei etape fig. 2. La prima etapă bastonașul încărcat pozitiv de la distanță se apropie de electroscop, care inițial este neutru, astfel încât foliile se află în stare liberă. La a doua etapă bastonașul încîrcat se află destul de aproape de sfera electroscopului și impune cu atracția sa o parte din electroni să părasească foliile și să se miște spre sferă. Acest fenomen se numește inducție electrostatică; es ne spune că pe sferă în prezența bastonașului încărcat se țintește (se induce) sarcină electrică. Foliile electroscopului obțin o sarcină mare pozitivă și suferă peternica reciprocă respingere. În fine la etapa a treia bastonașul se impune contactului cu sfera și electroscopului i se transmite sarcina bastonașului. De oarece sarcina se distribie între sferă și folii (chiar în cazul când de pe bastonaș trece toată sarcina pe electroscop), pe cota foliilor revine o sarcină mai mică de cât în cazul precedent și foliile se abat la un unghi mai mic. Menționăm, că în toate trei etape sarcina în sistem, ce constă din bastoaș și electroscop, rămâne una și aceeași.

Conservarea sarcinei electrice

Unui corp se poate de-i transmis sarcină electrică, transferând pe el electroni sau din potrivă, de-i înlăturat. Corpul poate pierde sarcina, însă atunci această sarcină o va căpătă un alt corp. Una din legile fundamentale a conservării în naturăă ne spune, că sarcina electrică totală într-un sistem izolat rămâne constantă.

În unele condiții și la anumite limitări pot să apară (să se nască) perechi de sarcini electrice – negativă (simplă) electron și electron pozitiv, sau pozitron (particulă care după toate nu diferă de electron, însă putătoare de sarcină pozitivă). Astfel de procese de apariție nu încalcă legea consrevării sarcinei, deoarece sarcina totală a perechii este egală cu zero, deci sarcina totală în sistem rămâne constantă.

Nici odată nu a fost observată apariția numai a electronului sau numai a protonului. Apariția sau dispariția particulelor mereu are loc în perechi, ce constau din particule încărcate pozitiv și negativ. Nu este cunoscut nici un caz, în care nu s-ar fi respecta legea conservării sarcinii electrice.