O que é uma cobrança?

Eu sou um estudante do ensino médio. Eu amo computadores e eletrônicos. Algumas semanas atrás, pensei em criar meu próprio dispositivo eletrônico, mas, infelizmente, não tinha muito conhecimento em eletrônica. Então, eu decidi aprender. Depois de pesquisar no Google aqui e ali, me deparei com uma grande quantidade de informações. Nada, exceto uma coisa, que me assusta e me intimida é o que o termo Carga significa? Nenhum dos livros conta o que isso significa. Alguns dizem que é a propriedade básica do assunto e apenas isso, e não o definem mais. Enquanto alguns nem se dão ao trabalho de contar. Na Wikipedia , é definido como:

A carga elétrica é a propriedade física da matéria que faz com que ela experimente uma força quando próxima a outras matérias eletricamente carregadas.

A definição é um pouco difícil e confusa. Da mesma forma, nos tutoriais do site All About Circuits, obtive um tipo diferente de definição e entendimento.

Pelos livros, soube que ainda não sabemos muito sobre cobranças, mesmo grandes cientistas como Sir Stephen Hawking não sabem muito sobre isso. Está correto? Caso contrário, por que foi escrito nos livros (quero dizer, aqui, livros não são livros), qual é a sua definição correta? Por que a maioria dos livros não define quais cobranças são / são?

Como Ali disse, a carga é uma propriedade (ou característica ou característica) de uma partícula. A partícula pode ser um átomo, ou apenas parte de um átomo, como um elétron ou um próton.

Infelizmente, não podemos dizer muito sobre por que as partículas têm essa propriedade ou o que faz com que essa propriedade exista. Só podemos descrever algumas coisas que observamos sobre essa propriedade que chamamos de cobrança .

• A cobrança vem em dois tipos, que rotulamos arbitrariamente como "positivo" e "negativo".

• Cargas positivas se repelem com uma força que podemos medir, cargas negativas se repelem da mesma forma e cargas opostas se atraem.

• Descobrimos que existem componentes de átomos chamados "prótons" e "elétrons" que são sempre carregados de maneira positiva e negativa, respectivamente.

• A carga é conservada. Isso significa que, em todas as experiências que tentamos, a diferença entre a quantidade de carga positiva e negativa em um sistema fechado é a mesma no final da experiência e no início da experiência, e, portanto, acreditamos que isso seja verdade para todos os sistemas fechados do universo.

Embora não saibamos qual é a carga ou de onde ela vem, a descrição do que ela faz é suficiente para prevermos muitas coisas úteis e criarmos muitas ferramentas úteis, como rádios e computadores.

Para manter as coisas simples por enquanto (quando você chegar à faculdade de física, isso será expandido), a carga é de elétrons empilhados ou a falta de elétrons onde você espera que haja alguns. Os elétrons têm carga negativa e prótons, carga positiva. Um átomo normal tem o mesmo número de elétrons que os prótons, portanto, nenhuma carga líquida.

Em alguns átomos, os poucos elétrons externos estão um pouco "soltos". Quando você tem um monte desses átomos um ao lado do outro, como átomos de cobre em um fio de cobre, esses elétrons soltos podem pular entre átomos adjacentes. No entanto, se eles pularem muito longe, eles deixarão uma carga positiva (uma vez que a negativa foi embora) de onde partiram e uma carga negativa onde estão. Esse desequilíbrio de cargas cria um campo elétrico , que você pode considerar um campo de força que empurra e puxa elétrons. Os elétrons são atraídos para cargas positivas e afastados por negativos. Portanto, este campo elétrico não permitirá que os elétrons desocupem um local e se acumulem em outro no espaço de alguns átomos.

Uma fonte de tensão, como uma bateria, é algo que cria um campo elétrico. Se você conectar as extremidades opostas da bateria às extremidades opostas deste fio de cobre com todos os elétrons um tanto móveis, poderá conseguir que todos os elétrons, em média, passem da extremidade da tensão negativa do fio para a extremidade da tensão positiva. Para manter o campo elétrico aplicado ao fio, a bateria bombeia os elétrons que fluem da extremidade + do fio de volta para a extremidade - do fio, onde pulam novamente entre os átomos de cobre e terminam na extremidade + novamente .

O movimento de massa dos elétrons é chamado de corrente , que é a carga que flui. Isto é muito parecido com a corrente em um rio, com muitas pequenas moléculas de água fluindo. Como a carga de um elétron é muito pequena e de pouca utilidade em nossa escala humana, usamos uma unidade de carga chamada Coulomb . No entanto, um Coulomb é apenas uma pilha de carga calibrada. De fato, são cerca de 6,24 x 10 cargas de ¹⁸ elétrons. Na verdade, são -6,24 x 10 ¹⁸ elétrons, uma vez que decidimos arbitrariamente que os elétrons têm carga negativa.

Novamente, para manter o intervalo de números mais agradável em escala humana, medimos a corrente em Amperes , que é um Coulomb de carga que flui a cada segundo. Portanto, se você tiver 1 Ampère (às vezes "Amp" ou a abreviação oficial "A") fluindo da esquerda para a direita em um fio, na verdade existem 6.240.000.000.000.000.000.000 de elétrons fluindo da direita para a esquerda por segundo além de qualquer ponto ao longo desse fio.

Agora que você tem uma idéia básica do que são carga e corrente, esqueça os elétrons se movendo com suas cargas negativas. O restante da eletrônica é todo construído em Amp e Coulombs. Pense nisso como as unidades conceituais de corrente e carga que você usará daqui em diante. O fato de que estes acontecem (geralmente) com base em cargas negativas reais é irrelevante e apenas convida à confusão.

Então agora vamos voltar para a bateria que causou corrente no nosso fio. Uma bateria é realmente apenas uma bomba para carregar. Em outras palavras, pode tornar atual. No entanto, há mais uma métrica que é importante mencionar aqui, que é a força da bateria. Uma bateria pode ser capaz de pressionar com mais força do que outra, assim como uma bomba de água pode fazer uma pressão maior que a outra. É essa pressão que faz o campo elétrico que faz as cargas se moverem, que é atual. Essa pressão elétrica é medida em unidades de volts . Quanto mais Volts uma bateria puder produzir, mais corrente ela poderá causar através da mesma resistência . É como uma bomba de água de pressão mais alta pode fazer mais fluxo de água através do bico do mesmo tamanho.

Então, como podemos relacionar tensão, corrente e resistência? Como você provavelmente pode ver, mais tensão (pressão) gera mais corrente (fluxo), mas mais resistência (bico menor) gera menos fluxo. Para colocar isso matematicamente:

  corrente = tensão / resistência

Isso também nos dá uma definição de resistência, reorganizando esta equação:

  resistência = tensão / corrente

O conceito de resistência surge muito na eletrônica, por isso temos uma unidade especial apenas para medi-la, chamada Ohm . De fato, o Ohm é definido como:

  Ohm = Volt / Ampère

Temos abreviações curtas para todas essas três quantidades, uma vez que praticamente todos os eletrônicos são baseados nelas. Um Volt é abreviado como "V", o Ampere como "A" e o Ohm com a letra grega "Ω".

Essa equação que relaciona resistência, tensão e corrente é uma pedra angular da eletrônica e é chamada Lei de Ohm , em homenagem ao cara que a inventou pela primeira vez.

Vamos voltar à primeira forma da lei de Ohm que mostrei, que nos diz quanta corrente temos:

  Em quantidades físicas: corrente = tensão / resistência
  Em unidades comuns: Amperes = Volts / Ohms ou A = V / Ω

Já é muito o que pensar. Tente entender isso antes de prosseguir. Faça perguntas aqui, pois você precisa entender isso. Depois de conseguir isso, podemos continuar com todos os tipos de coisas legais.

A resposta de Olin é excelente. Eu acrescentaria que uma analogia pode ajudar.

(Para os fins desta analogia, vamos ignorar tudo depois de Newton. A Relatividade Geral e o Bóson de Higgs são interessantes, mas não ajudarão a entender a carga.)

Você provavelmente tem um entendimento instintivo da massa , especificamente da massa gravitacional . Mas o que é isso?

A massa gravitacional é uma propriedade da matéria que faz com que ela experimente uma força - chamada gravidade - quando próxima a outra matéria com massa. A quantidade individual de massa de um átomo é muito, muito pequena, mas temos muitos deles e eles podem somar para formar massas muito grandes.

Embora todos os átomos tenham uma pequena quantidade de massa, alguns têm muito mais que outros. Se você tiver um saco de hidrogênio e um saco de chumbo com o mesmo número de átomos em cada um, um será muito mais massivo que o outro.

Uma descrição numérica de como um objeto maciço afeta outro é chamada de campo gravitacional . Se você imaginar uma massa grande - a Terra, digamos - e imaginar uma massa minúscula - um rolamento de esferas, digamos - magicamente suspensa em um ponto acima da Terra, se você de repente magicamente a deixar se mover, ela se moverá em um direção particular - em direção ao centro da Terra. Imagine a Terra cercada por um campo de pequenas flechas, todas apontando na direção em que o rolamento de esferas cairia. O comprimento da flecha é a força com que o rolamento de esferas seria puxado: muito duro perto da superfície da Terra, quase nunca passando pela órbita da Lua. Esse "campo" de flechas é o campo gravitacional da Terra.

A carga é muito semelhante à massa gravitacional. Como a massa, é uma propriedade fundamental da matéria. Como a massa, faz com que dois objetos experimentem uma força entre eles. Como a massa, assim como alguns tipos de matéria são mais massivos que outros, também alguns tipos de matéria são mais propensos a produzir carga do que outros. Como a massa, você pode pegar uma grande fonte de carga e imaginar um campo de flechas ao seu redor que lhe diz em que direção e quão forte seria a força em uma pequena carga colocada lá; esse é o campo eletrostático .

Como, então, carga e massa são diferentes? As principais diferenças entre carga e massa são:

(1) A massa vem somente em um tipo, a carga vem em dois tipos. Toda massa é atraída por todas as outras massas. Como encargos repelem, diferentemente encargos atraem.

(2) As forças de carga são enormemente maiores que as forças gravitacionais. Esfregue um balão no cabelo e cole-o no teto. As forças de carga nesse balão são suficientes para superar a atração de um objeto do tamanho da Terra! (Embora seja certo que as distâncias são relevantes. Seu balão está a milhares de metros do centro da Terra e muito perto do teto.) A força entre as massas é absurdamente pequena em comparação com a força entre as cargas.

(3) A carga é extremamente fácil de se mover em comparação com a massa. O movimento da carga através de um condutor é uma fração significativa da velocidade da luz. (O movimento de partículas carregadas individuais pode ser lento; pense nisso como abrir uma torneira conectada a uma mangueira muito comprida e cheia de água. A onda de pressão que jorra a água para fora da extremidade da mangueira viaja muito mais rapidamente pela mangueira do que a água que sai da torneira.)

A carga elétrica é a propriedade física da matéria que faz com que ela experimente uma força quando próxima a outras matérias eletricamente carregadas.

Parece uma boa definição para mim. Para citar Richard Feynman:

"Não podemos definir nada com precisão! Se tentarmos, entramos na paralisia do pensamento que ocorre com os filósofos, que se sentam um diante do outro, um dizendo ao outro: 'Você não sabe do que está falando!' O segundo diz: "O que você quer dizer com saber? O que você quer dizer com falar? O que você quer dizer com você?", E assim por diante. "

Veja a simetria lá! A carga é para a força elétrica qual é a massa da força gravitacional! Existem algumas assimetrias, como o fato de a carga aparecer nos sabores mais e menos, enquanto a massa só pode ser positiva, mas não se preocupe com isso por enquanto.

Boa sorte com seu projeto!

Uma coisa que me assusta e me intimida é o que o termo Carga significa?

Primeiro um pouco de fundo ...

Atualmente, acreditamos que, dadas as observações e resultados experimentais até agora, existem quatro " interações fundamentais " e a interação eletromagnética é uma dessas quatro.

O que é uma interação fundamental ? Do artigo vinculado da Wikipedia:

As interações fundamentais, também chamadas forças fundamentais ou forças interativas, são modeladas na física fundamental como padrões de relações em sistemas físicos, evoluindo ao longo do tempo, que não parecem redutíveis às relações entre entidades mais básicas .

Imagine que você observe que dois objetos se atraem ou se repelem, mas que os referidos objetos não atraem ou repelem outros objetos. Em uma tentativa de explicar ou modelar isso, você pode supor que os dois objetos em interação tenham uma propriedade que os outros objetos não. Você pode até chamar essa propriedade de uma taxa . Você pode ainda sugerir, após observações adicionais, que existem dois tipos e que "cargas opostas atraem" e "cargas iguais se repelem".

Em alguns casos, a interação pode ser explicada por outro fenômeno conhecido ou, podemos determinar que a interação é simplesmente - é o dado e o melhor que podemos fazer é modelar a interação sem precisar explicá- la em termos de algo ' mais fundamental '.

É o que fazemos com a carga elétrica e a interação eletromagnética. Nós o observamos e tentamos modelá-lo matematicamente e usar noções como carga elétrica e campo elétrico etc.

Em algum momento, podemos descobrir outra 'camada' mais fundamental da realidade e ser capaz de responder à pergunta "o que é carga elétrica?" nesses termos.

Por exemplo, alguns teóricos imaginam que a carga elétrica é realmente um modo vibracional de uma entidade 1D fundamental - uma supercorda supersimétrica - que de alguma forma 'vive' em 10 ou 11 dimensões, das quais 3 são nossas dimensões espaciais 'comuns'.

Mas isso realmente só leva à pergunta "mas o que é isso mais fundamental?" O que é uma supercorda supersimétrica?

Nesse ponto, é melhor não se perguntar o que é a carga elétrica , mas sim como ela funciona , por exemplo, a Lei de Coulomb .

Além disso, se você estiver interessado em aprender eletrônica prática, precisará realmente se concentrar na teoria dos circuitos, mais preocupada com a tensão e a corrente do que com a carga elétrica.

Acho útil pensar em carga como uma coisa , na linha de "um elétron é igual a uma peça de carga". Não acho que muitos conceitos em eletrônica correspondam diretamente ao conceito de um objeto físico como esse.

Se carga é uma coisa , então 'tensão' descreve a quantidade de energia associada a uma carga específica (talvez analogamente à forma como algum objeto pode estar quente ou frio) e 'corrente' é a quantidade de carga que flui através de um fio em um determinado Tempo. A tensão em um capacitor é proporcional à quantidade de carga armazenada em suas placas, onde a constante de proporcionalidade é o tamanho do capacitor. E assim por diante.

Isso é extremamente simplista, mas você pode achar um modelo mental útil para começar.

Para adicionar à imagem mental de Olin.

Pense na bateria ou na fonte de alimentação como algo que pode levar elétrons de um lado e empilhá-los do outro, para que você tenha fome em uma extremidade do circuito e excesso na outra. O lado faminto começa a puxar os elétrons soltos dos átomos naquela extremidade do circuito, causando um efeito de ondulação ou corrente. como uma brigada de baldes, os elétrons soltos pulam de átomo em átomo em direção ao lado faminto da bateria, e como você pode adivinhar quando segue esse circuito até a outra extremidade da bateria, onde os átomos têm elétrons demais. feliz em entregá-los aos átomos do circuito que depois os repassam. quanto mais a bateria pode passar fome de um lado e exceder o outro, mais rápido os átomos no circuito tentam compensar movendo as peças de reposição ao redor do circuito. O fluxo dessas peças de reposição ao redor do circuito é atual. A bateria que tem um excedente em uma extremidade e a fome na outra é voltagem.

Agora, como a bateria passa fome de um lado dos elétrons e os dá ao outro? Bem, essa é a magia das baterias e uma pergunta separada. Às vezes é uma coisa química, um efeito colateral de reações químicas. Mas isso depende da tecnologia da bateria. Da mesma forma, e se não for uma bateria, digamos, mas uma verruga de parede ou um AC saindo da tomada? Outra boa pergunta.

Acho mais fácil pensar no fluxo de elétrons como você pensaria na água nos canos, algo que você pode visualizar porque provavelmente experimentou canos ou mangueiras e água. A água é bombeada de uma extremidade da bateria para a outra, empurrando-a através do tubo (circuito) e aterrando na extremidade faminta da bomba, para ser empurrada novamente. Como perdemos um pouco de água no processo, com o tempo a bomba simplesmente não tem água suficiente para que a coisa funcione mais (a bateria está gasta). Resistores são apenas torções no circuito que diminuem a velocidade da água. fios maiores são como um tubo maior pelo qual você pode mover mais água. A velocidade da água é a corrente, hmmm ... e assim por diante.

A resposta mais precisa seria "ninguém sabe". No entanto, ainda podemos estudar suas propriedades.

Podemos modelar o mundo inteiro em termos de "campos". Um campo é como uma folha de borracha esticada. A folha não precisa estar plana; em alguns lugares, pode subir e em outros lugares, pode cair. Esses desvios agem como carga. Obviamente, o mundo real é 3D, mas uma folha é apenas um modelo 2D.

Existem diferentes tipos de campos, com base na maneira como sua carga pode se comportar.

Existe um campo em que a carga só pode ser "de mão única"; por exemplo, a folha pode ter apenas solavancos para cima e não para baixo. Chamamos esse campo de gravidade, e essa carga 'unidirecional' é chamada massa. Duas massas (protuberâncias) sempre se atraem, mas a massa é bastante fraca: as protuberâncias não são muito altas. É por isso que um pequeno motor de foguete é capaz de se afastar da Terra, dominando a massa de todo o planeta. No entanto, como todos os solavancos seguem o mesmo caminho, eles sempre se acumulam, o que resulta em estruturas enormes, como galáxias. A única razão pela qual tudo não se atraiu em um grande pedaço é porque o Universo está se expandindo, que espalha tudo mais rápido do que a gravidade pode agrupá-lo.

Existe um campo diferente em que a carga pode seguir 'duas vias', por exemplo, solavancos para cima e para baixo. Este é o campo eletromagnético, no qual a eletrônica é baseada. A carga neste campo é chamada de 'carga elétrica', ou apenas 'carga', e distinguimos entre as duas 'direções', chamando uma 'positiva' e a outra 'negativa'. Essas cargas são mais fortes que a massa, o que podemos ver se usamos uma haste carregada para pegar pedaços de papel. No entanto, diferentemente da massa, cargas iguais se repelem (positivo-positivo ou negativo-negativo), e cargas opostas se atraem. Isso faz com que a carga elétrica se misture, como misturar tinta branca com tinta preta, para que o resultado seja 'neutro' e não tenha muito efeito em escalas muito grandes (galácticas). Contudo, a física quântica impede que tudo se misture completamente; quando olhamos de perto o suficiente, há pequenos pedaços indivisíveis de carga positiva e negativa. Geralmente são elétrons e prótons, mas são misturados em pequenos pedaços neutros chamados átomos. A eletrônica tem tudo a ver com mover elétrons entre átomos (observe que afastar um elétron de um átomo não é o mesmo que 'dividir o átomo', o que significa outra coisa!).

Existe outro tipo de campo em que a cobrança pode ir em três 'direções'. Isso é chamado campo nuclear (forte) e se comporta de maneiras muito estranhas. A carga desse campo é conhecida como 'cor', com as 'direções' chamadas 'vermelho', 'verde' e 'azul'. Observe que esses são apenas nomes inventados, como 'positivo' e 'negativo', para garantir que todos estejam falando da mesma coisa. As próprias palavras não significam nada.

Se imaginarmos esses campos como folhas de borracha, podemos empilhá-los uns sobre os outros. Haverá padrões na carga: o solavanco geralmente se alinha, de modo que, por exemplo, uma carga elétrica se move com uma massa. Chamamos esses padrões de 'férmions' e damos alguns nomes como 'elétrons', 'pions' etc.

Também podemos fazer ondas nos lençóis. As ondas na folha eletromagnética correspondem a ondas de luz.

Outro campo é geralmente mencionado, chamado campo 'fraco nuclear', mas a recente descoberta do bóson de Higgs mostra que isso pode realmente fazer parte do campo eletromagnético (uma teoria conhecida como campo 'eletro-fraco').

Uma carga é uma propriedade que algumas das partículas elementares possuem. Como o elétron (que possui carga negativa) e o próton (que possui carga positiva).

As cargas são medidas em coulomb (leia KOOLON) após um cientista francês. O elétron tem -1,6 * 10 ^ -19 C (carga negativa) e o próton tem + 1,6 * 10 ^ 19 C.

Cargas (ou partículas que possuem essas cargas) de polaridades opostas se atraem e aquelas com as mesmas polaridades se repelem. Perguntar "por que" nesse nível é como perguntar por que o universo existe para que as coisas fiquem filosóficas a partir daqui. É assim que o universo funciona. Então sim ... Nós não sabemos por que uma cobrança existe ou como ... ou o que é exatamente. Apenas chamamos de "propriedade". E apenas descrevemos o que faz ou como se comporta. Observe que poderíamos ter invertido arbitrariamente as polaridades das cargas (um elétron carregaria uma carga positiva e um próton carregaria uma carga negativa) e tudo continuará funcionando como antes. Porque ainda é uma descrição válida.

A carga não é uma propriedade do átomo. Átomos (em seu estado não ionizado) são todos neutros (eles não têm carga líquida: número de elétrons = número de prótons) Agora, se de alguma forma um átomo perde um elétron, o número de cargas positivas (dos prótons) será maior que o número de cargas negativas, de modo que parece que o átomo (agora chamado de íon / foi ionizado) carrega uma carga positiva!

Uma corrente é um fluxo de cargas. Alguns exemplos disso seriam:

O fluxo de elétrons em um metal (cargas negativas) é o que você mede como corrente em um fio de cobre.

O fluxo de íons (os átomos ionizados mencionados acima) é o que constitui a corrente nas soluções eletrolíticas.

Digamos que você tenha uma partícula ou um grupo de partículas. Crie uma superfície Gaussiana fechada ao seu redor. Então a carga pode ser definida como a integral da superfície do fluxo do campo elétrico através da superfície gaussiana dividida pela constante de permissividade. Eu sei que isto não é o que você estava procurando (é claro que vai ser sobre sua cabeça), mas eu pensei que poderia ser um bom complemento para as outras respostas aqui que fazer responder a sua pergunta. Ou, em outras palavras, carga é a extensão em que algo existe em uma forma constante não neutra.