Forta si Gratie

Cum circula curentul electric

Se stie din cultura scolara ca Pamantul este un urias rezervor de sarcina cu potential electric total nul, indiferent ce sarcina se scurge in / din Pamant. Atunci de ce impamantarea circuitelor din centralele electrice sau din liniile de curent nu produce scurgerea implicita a intregului flux de sarcina din circuit in pamant, din moment ce pamantul este donorul si acceptorul uiniversal de electroni, si orice diferenta de potential fata de pamantul aflat la potential zero (sarcina electrica totala nula) ar fi normal sa produca descarcare in pamant? Ne putem da un raspuns la intrebarea aceasta analizand un fenomen la indemana: bateria de masina.

O baterie de masina care este o cutie de plastic cu doua borne izolate de Pamant si fara impamantare (nu are o conexiune cu Pamantul a interiorului), nu curenteaza daca atingem doar una dintre borne chiar daca suntem desculti si in contact cu un pamant umed si moale, asadar bun conductor de electricitate. De ce se intampla acest lucru din moment ce oricare din cele doua borne are teoretic un deficit sau un surplus de electroni (una este borna de potential pozitiv si alta de potential negativ) iar Pamantul este donorul, respectiv acceptorul universal de sarcina electrica (electroni sau ioni)?

Aici explicatiile devin destul de subtile si in acelasi timp interesante..

Vom discuta mai intai pe exemplul cu un GENERATOR DE CURENT care poate fi atat de curent continuu, cat si alternativ. Am putea, desigur, sa spunem ca generatorul de curent continuu produce in permanenta la borna pozitiva sarcina pozitiva (deficit de electroni) si la borna negativa sarcina negativa (surplus de electroni). Totusi acest lucru nu este adevarat. Prin firele bobinei generatorului se genereaza un camp electric care se propaga cu viteza luminii prin bobina pana la bornele generatorului (sursei), de care se leaga mai departe circuitul. Acest lucru nu inseamna insa ca acest camp electric si pune in miscare electronii prin spira atat timp cat bornele nu intra in contact cu un circuit iar circuitul este inchis. Asta deoarece electronii nu pot fi presati, indesati, fortati sa incapa mai multi intr-un capat al firului si sa ramana tot mai putini la celalalt capat, cum de altfel electronii nu sunt "scuipati" afara din spira printr-unul din capete ori absorbiti din aer sau din orice alt mediu prin capatul celalalt. Electronilor li se imprima doar o tendinta de miscare de catre campul electric din spira (o tendinta continua sau alternativa, in functie de conectarea capetelor spirei la borne - prin bascularea pe inele intregi sau pe jumatati de inele). Cele doua borne vor avea asadar inmagazinata in ele cate o forta electrica potentiala egala si de sens opus, gata sa miste electronii printr-un circuit inchis care s-ar conecta la aceste borne, intotdeauna o borna impingand electronii in circuit iar cealalta tragandu-i inapoi din circuit. Fara oricare din cele doua borne interconectate (cea emisiva si cea receptiva) curentul electric nu se creeaza, deoarece ar insemna ca electronii sa nu mai curga uniform - sa aiba loc acumulari de sarcina, dezechilibru electric al atomilor, sau, in loc ca tot ce intra in sistem sub forma de purtatori mobili de sarcina sa si iasa, am avea situatia in care ori doar intra, ori doar ies - ceea ce ar afecta echilibrul electrostatic al conductorului si proprietatile fizice si chimice ale materiei prin pierdere sau cumul de electroni si modificarea in consecinta a structurilor atomice. Sa nu uitam analogia curentului electric cu un flux de apa care umple perfect tevile prin care curge si nu e compresibil. Doar cand capetele spirei rotative ating cele doua borne iar bornele se leaga la un circuit care este inchis (deci practic cele doua borne ajung sa comunice pin intermdiul unui parcurs electric mai scurt sau mai lung), abia atunci electronii incep sa se miste, fara sa se inghesuie, intr-o deplasare sincronizata prin intreg circuitul, toti odata, in sensul dictat instantaneu de campul electric care se propaga cu viteza luminii prin circuitul devenit activ.

Un generator de curent electric NU CREAZA SARCINA, el o foloseste pe cea existenta, adica electronii liberi din conductoarele metalice, pe care ii pune in miscare prin fire si prin piese. Asadar o sursa de curent actioneaza ca o pompa de apa care creeaza flux continuu printr-o retea de tevi umplute in proportie de 100% si etanseizate. Cand curentul electric nu curge prin circuit e ca si cand apa din reteaua de conducte stationeaza. Cand avem curent electric, avem miscarea apei existente sub forma de flux.

Revenind la BATERIE, fenomenul este un pic diferit, in sensul ca bateria chiar genereaza excedent de sarcina electrica negativa la un capat si deficit corespunzator la celalalt (sau am putea spune negativitate electrica la un capat si pozitivitate la celalalt). Fenomenul producerii curentului la baterie nu tine de teoria generatorului de curent continuu ci de teoriile din electrochimie, in baza carora, prin reactii chimice controlate, o borna e alimentata cu surplus de electroni, iar cealalta cu deficit de electroni. Chiar si asa, cand legam un capat al bateriei de Pamant fara sa facem nimic cu celalalt capat, curentul electric nu circula prin firul care conecteaza borna cu Pamantul. Iarasi se pune intrebarea DE CE?

Ba mai mult, constatam ca acelasi lucru se intampla si cu platanele unui Condensator. Cand acestea au fost deja incacate cu sarcina electrica, sa zicem +10 V/-10V, daca pe oricare dintre ele il conectam la pamant printr-un fir iar celalalt ramane izolat, sarcina existenta pe platanul conectat nu se scurge de pe platan in pamant. Daca in schimb il conectam si pe cel de-al doilea platan la pamant, atunci condensatorul se va descarca.

Bateria NU PRODUCE SARCINA ELECTRICA (electroni, protoni) ci o separa pe cea deja existenta in interiorul bateriei (neutra din punct de vedere electric daca ne raportam la sistem per ansamblu) in zone de polaritate pozitiva, respectiv negativa (bornele) de pe care aceasta sarcina poate migra dintr-o zona catre cealalta doar prin atasarea la baterie a unui circuit inchis prin care sa inceapa sa circule sarcina sub forma de flux.

Observam asadar ca doar cand cele doua borne ale unei baterii sau platanele unui condensator sunt puse in contact (printr-un circuit sau prin Pamant), numai atunci curentul electric incepe sa circule.

Se intampla acest lucru pentru ca tot ce inseamna curent electric respecta LEGEA CONSERVARII SARCINII ELECTRICE.

Aceasta lege ne spune ca o sarcina electrica nu poate fi creeata si nici distrusa, iar sarcina electrica neta a unui sistem tinde intotdeauna catre 0 (conditia de echilibru) si se bazeaza pe dinamica de egalizare a purtatorilor de sarcina pozitiva si respectiv negativa din orice sistem. Tot ce este indus (nu creat) ca surplus de sarcina intr-o parte a sistemului se traduce printr-un deficit (nu o distrugere) de sarcina intr-o alta parte. Starea naturala a unui sistem este aceea de neutralitate electrica si tot ce exista ca sarcina in interiorul sistemului, exista in perechi pozitiv-negativ care intrunesc conditia de echilibru. Considerand bateria sau condensatorul ca fiind un sistem cu sarcina electrica neta 0, in sensul ca +10V de la o borna (un platan) ii compenseaza de cei -10V de la cealalta borna (platan), Pamantul automat nu poate sa dezechilibreze un sistem aflat deja in echilibru luand din sarcina unui platan si lasandu-l pe celalalt cu o contrasarcina care ar induce sistemului per ansamblu o sarcina electrica neta diferita de 0. Ce poate face pamantul (sau orice piesa de circuit cat de cat conductoare) este sa circule sarcinile intre cele doua extremitati / poli / borne / platane ale bateriei / condensatorului sub forma de curent electric si sa echilibreze discrepanta dintre regiunile sistemului. Asa se naste curentul electric printr-un circuit inchis legat la bornelele unei baterii sau ale unui condensator, acel circuit putand fi chiar Pamantul.

Daca in loc de un sistem impartit in doua regiuni cu polaritate electrica egala si de semn contrar avem o sfera metalica electrizata uniform (sa spunem prin inducerea unui exces de sarcina negativa), datorita faptului ca sfera ca sistem ajunge sa se dezechilibreze din punct de vedere al sarcinii electrice nete, atunci, printr-un singur contact cu Pamantul aceasta sfera va descarca surplusul de sarcina (pozitiva sau negativa) pana la nivelul la care sarcina ei neta va fi, din nou, 0 (se va recreea conditia de echilibru). Electrizarea obiectelor este un fenomen electric care consta in acumularea de sarcina electrica in repaos, pozitiva sau negativa (deficit sau exces de electroni), pe suprafata unui obiect ca urmare a inducerii sale din afara.

Fenomenele care privesc SARCINILE ELECTRICE IN REPAOS tin de domeniul electrostaticii. Fenomenele care privesce SARCINILE ELECTRICE IN MISCARE tin de domeniul electrodinamicii.

Electrizarea unui obiect se poate intampla prin aplicarea unor forte de frecare (care disloca electroni de pe suprafata obiectului sau aduc electroni in plus), prin inductie (separarea sarcinilor electrice si redistribuirea lor pe suprafata unui conductor datorata actiunii unui camp electric), respectiv prin conductie (apropierea unui obiect electrizat de un obiect neutru, izolat de pamant, caruia in felul acesta i se transmite sarcina pozitiva sau negativa).

Intre diferitele straturi de aer din atmosfera se creeaza adesea regiuni cu sarcina electrica pozitiva respectiv negativa, extrem de pronuntate din punct de vedere al diferentei de potential, si care pe timp de furtuna ajung sa comunice intre ele sau cu Pamantul prin trasee conductive temporare care se creeaza datorita umezirii si ionizarii aerului. In momentul in care se produce un fulger, fie intre 2 astfel de regiuni din atmosfera, fie intre o astfel de regiune si Pamant, are loc o descarcare electrica de proportii, in sensul ca se creeaza un curent electric de 30.000 Amperi sub o tensiune de 100 de milioane de Volti, generand in acelasi timp lumina vizibila, unde radio, raze X si chiar raze gamma, aerul din imediata vecinatate a fulgerului devenind o plasma fierbinte la o temperatura de 30.000 de grade Celsius.

Iata cateva dintre cele mai spectaculoase imagini cu fulgere suprinse vreodata..