Qu'est-ce qu'une charge?

Je suis un élève du secondaire. J'aime les ordinateurs et l'électronique. Il y a quelques semaines, j'ai pensé construire mon propre gadget électronique mais, malheureusement, je n'avais pas beaucoup de connaissances en électronique. Alors j'ai décidé d'apprendre. Après avoir googlé ici et là, je suis tombé sur une grande quantité d'informations. Rien, si ce n’est une chose, qui m’intimide et ne m’intimide, c’est ce que signifie le terme Charge . Aucun des livres ne dit ce que cela signifie. Certains disent que c'est la propriété de base de la question et ne la définissent pas davantage. Alors que certains ne se donnent même pas la peine d'en parler. Sur Wikipedia, il est défini comme:

La charge électrique est la propriété physique de la matière qui lui fait subir une force lorsqu'elle est proche d'une autre matière chargée électriquement.

La définition est assez difficile et déroutante. De même, dans les didacticiels du site Web All About Circuits, j'ai eu un type de définition et de compréhension différent.

Des livres, j'ai appris que nous ne savions toujours pas grand chose à propos des accusations, même de grands scientifiques comme Sir Stephen Hawking n'en savaient pas grand-chose. Est-ce correct? Si non, alors pourquoi a-t-il été écrit dans les livres (je parle ici de livres et non de livres), quelle est sa définition correcte? Pourquoi la majorité des livres ne définissent pas quels frais sont / sont?

Comme Ali a dit, la charge est une propriété (ou caractéristique) d'une particule. La particule peut être un atome, ou simplement une partie d'un atome comme un électron ou un proton.

Malheureusement, nous ne pouvons pas vraiment dire grand-chose sur la raison pour laquelle les particules ont cette propriété ou sur la cause de cette propriété. Nous pouvons seulement décrire certaines choses que nous observons à propos de cette propriété que nous appelons charge .

• Il existe deux types de charges, que nous qualifions arbitrairement de "positives" et de "négatives".

• Les charges positives se repoussent avec une force que nous pouvons mesurer, les charges négatives se repoussent de la même manière et les charges opposées s'attirent.

• Nous trouvons qu'il existe des composants d'atomes appelés "protons" et "électrons" qui sont toujours chargés positivement et négativement, respectivement.

• La charge est conservée. Cela signifie que, dans toutes les expériences que nous avons essayées, la différence entre la quantité de charge positive et négative dans un système fermé est la même à la fin de l’expérience qu’au début, et nous pensons donc que c’est la même chose. vrai de tous les systèmes fermés de l'univers.

Même si nous ne savons pas quelle est la charge ou d' où il vient à l' origine de la description de ce qu'il ne nous suffit de prévoir beaucoup de choses utiles et faire beaucoup d'outils utiles comme les radios et les ordinateurs.

Pour simplifier les choses pour le moment (une fois que vous aurez étudié la physique dans les collèges, cela s’étendra), la charge est constituée d’empilements d’électrons ou de manque d’électrons là où vous vous attendez. Les électrons ont une charge négative et la charge positive des protons. Un atome normal a le même nombre d'électrons que les protons, donc pas de charge nette.

Sur certains atomes, les quelques électrons extérieurs sont un peu "lâches". Lorsque vous avez tout un tas d'atomes proches les uns des autres, comme des atomes de cuivre dans un fil de cuivre, ces électrons lâches peuvent sauter entre des atomes adjacents. Cependant, s'ils sautent trop loin, ils laissent une charge positive (puisqu'une charge négative est partie) là où ils sont partis et une charge négative là où ils se trouvent. Ce déséquilibre des charges crée un champ électrique , que vous pouvez considérer comme un champ de force qui pousse et tire des électrons. Les électrons sont entraînés vers des charges positives et repoussés par des charges négatives. Ce champ électrique ne laissera donc pas les électrons quitter un endroit et s'empiler dans un autre sur l'espace de quelques atomes.

Une source de tension, comme une batterie, est quelque chose qui crée un champ électrique. Si vous connectez les extrémités opposées de la batterie aux extrémités opposées de ce fil de cuivre contenant tous les électrons quelque peu mobiles, vous pouvez faire en sorte que tous les électrons passent en moyenne de l'extrémité de tension négative du fil à l'extrémité de tension positive. Pour conserver le champ électrique appliqué au fil, la batterie pompe ensuite les électrons qui s'écoulent de l'extrémité du fil vers l'extrémité - du fil, où ils sautent de nouveau entre les atomes de cuivre et se retrouvent à l'extrémité + .

Le mouvement de masse des électrons est appelé courant , ce qui correspond aux charges qui circulent. C'est un peu comme si le courant dans une rivière était plein de petites molécules d'eau qui coulaient. Puisque la charge d'un électron est très très petite et peu utile à notre échelle humaine, nous utilisons une unité de charge appelée le coulomb . Cependant, un Coulomb est juste une pile de charge calibrée. En fait, cela représente environ 6,24 x 10 ¹⁸ charges d'électrons. En fait, c’est -6,24 x 10 ¹⁸ électrons puisque nous avons décidé arbitrairement que les électrons ont une charge négative.

Encore une fois, pour que la gamme de nombres soit plus belle à taille humaine, nous mesurons le courant en ampères , qui correspond à un coulomb de charge par seconde. Donc, si vous avez 1 Ampère (parfois "Amp" ou l'abréviation officielle "A") qui coule de gauche à droite dans un fil, il y a en fait 6 240 000 000 000 000 000 électrons qui coulent de droite à gauche par seconde après un point quelconque le long de ce fil.

Maintenant que vous avez une idée de base de la charge et du courant, oubliez les électrons qui bougent avec leurs charges négatives. Le reste de l'électronique est entièrement construit sur Amp et Coulombs. Pensez à cela comme aux unités conceptuelles de courant et de charge que vous utiliserez à partir de maintenant. Le fait que celles-ci se fondent (généralement) sur des accusations négatives réelles est sans importance et invite simplement à la confusion.

Alors maintenant, revenons à cette batterie qui a causé le courant dans notre fil. Une batterie n'est en réalité qu'une pompe à charge. En d'autres termes, cela peut rendre actuel. Cependant, il est important de mentionner ici une autre métrique: la force avec laquelle la batterie peut pousser. Une batterie peut pousser plus fort que l'autre, tout comme une pompe à eau peut produire une pression plus élevée qu'une autre. C'est cette pression qui fait que le champ électrique fait bouger les charges, ce qui est courant. Cette pression électrique est mesurée en unités de volts . Plus une batterie peut produire de volts, plus elle peut causer du courant à travers la même résistance . C’est comme si une pompe à eau à pression plus élevée pouvait créer plus d’écoulement d’eau par la même taille de buse.

Alors, comment pouvons-nous relier la tension, le courant et la résistance? Comme vous pouvez probablement le constater, plus de tension (pression) génère plus de courant (débit), mais plus de résistance (petite buse) génère moins de débit. Pour le dire mathématiquement:

  courant = tension / résistance

Cela nous donne également une définition de la résistance en réarrangeant cette équation:

  résistance = tension / courant

Le concept de résistance est très répandu dans l'électronique, nous avons donc une unité spéciale pour la mesurer, appelée Ohm . En fait, l'Ohm est défini comme:

  Ohm = Volt / Ampère

Nous avons de courtes abréviations pour ces trois quantités, car presque toute l’électronique est basée sur celles-ci. Un volt est abrégé "V", l'ampère comme "A", et l'Ohm avec la lettre grecque "Ω".

Cette équation qui relie la résistance, la tension et le courant est une pierre angulaire de l'électronique, et s'appelle la loi d'Ohm , d'après le type qui l'a inventé pour la première fois.

Revenons à la première forme de loi d'Ohm que j'ai montrée, qui nous dit combien de courant nous avons:

  En quantités physiques: courant = tension / résistance
  Dans les unités communes: ampères = volts / ohms ou A = V / Ω

C'est déjà beaucoup de choses à penser. Essayez de garder cela à l’esprit avant d’aller plus loin. Posez des questions ici car vous devez comprendre cela. Une fois que vous obtenez cela, nous pouvons passer à toutes sortes de choses intéressantes.

La réponse d'Olin est excellente. J'ajouterais qu'une analogie pourrait aider.

(Pour les besoins de cette analogie, ignorons tout après Newton. La relativité générale et le boson de Higgs sont intéressants mais ne vont pas aider à comprendre la charge.)

Vous avez probablement une compréhension instinctive de la masse , en particulier de la masse gravitationnelle . Mais qu'est-ce que c'est?

La masse gravitationnelle est une propriété de la matière qui lui fait subir une force - appelée gravité - lorsqu'elle se rapproche d'une autre matière de masse. La quantité individuelle de masse d'un atome est très très petite, mais nous en avons beaucoup et ils peuvent s'additionner pour former de très grandes masses.

Bien que tous les atomes aient une masse infime, certains en ont beaucoup plus que d'autres. Si vous avez un sac d'hydrogène et un sac de plomb avec le même nombre d'atomes dans chacun, l'un sera beaucoup plus massif que l'autre.

Une description numérique de la façon dont un objet massif en affecte un autre est appelée champ gravitationnel . Si vous imaginez une masse importante - la Terre par exemple - et imaginez une masse minuscule - un roulement à billes, par exemple - suspendue comme par magie en un point situé au-dessus de la Terre, si vous la laissiez soudainement bouger, elle bougerait dans un direction particulière - vers le centre de la Terre. Imaginez la Terre entourée d’un champ de minuscules flèches pointant toutes dans la direction de chute du roulement à billes. La longueur de la flèche indique la force avec laquelle le roulement à billes serait tiré: très fort près de la surface de la Terre, à peine du tout au-delà de l'orbite de la Lune. Ce "champ" de flèches est le champ gravitationnel de la Terre.

La charge est très similaire à la masse gravitationnelle. Comme la masse, c'est une propriété fondamentale de la matière. Comme la masse, il provoque une force entre deux objets. Comme la masse, de même que certains types de matière sont plus massifs que d’autres, certains types de matière sont plus enclins à produire de la charge que d’autres. Comme pour la masse, vous pouvez prendre une source de charge importante et imaginer un champ de flèches autour de celle-ci vous indiquant dans quelle direction et quelle force la force serait exercée sur une petite charge placée à cet endroit; c'est le champ électrostatique .

Comment alors charge et masse sont-elles différentes? Les principales différences entre charge et masse sont les suivantes:

(1) La masse ne vient qu’en un seul type, la charge en deux types. Toute la masse est attirée par toutes les autres masses. Comme les charges repoussent, contrairement aux charges attirent.

(2) Les forces de charge sont énormément plus grandes que les forces de gravitation. Frottez un ballon sur vos cheveux et collez-le au plafond. Les forces de charge dans ce ballon suffisent à vaincre l'attraction d'un objet de la taille de la Terre! (Certes, les distances sont importantes. Votre ballon est à des milliers de mètres du centre de la Terre et très près du plafond.) La force entre les masses est ridiculement petite comparée à celle entre les charges.

(3) La charge est extrêmement facile à déplacer par rapport à la masse. Le mouvement de charge à travers un conducteur est une fraction importante de la vitesse de la lumière. (Le mouvement des particules chargées individuelles peut être lent; pensez à cela comme si vous ouvriez un robinet branché à un très long tuyau déjà rempli d'eau. l'eau qui sort du robinet fait.)

La charge électrique est la propriété physique de la matière qui lui fait subir une force lorsqu'elle est proche d'une autre matière chargée électriquement.

Cela me semble une bonne définition. Pour citer Richard Feynman:

"Nous ne pouvons rien définir avec précision! Si nous essayons de le faire, nous entrons dans cette paralysie de la pensée qui touche les philosophes assis l'un en face de l'autre, se disant l'un à l'autre:" Vous ne savez pas de quoi vous parlez! " La seconde dit: "Que voulez-vous dire par savoir? Que voulez-vous dire par parler? Que voulez-vous dire par vous?", Etc.

Voir la symétrie là! La charge est à la force électrique ce que la masse est à la force de gravitation! Il existe certaines asymétries telles que le fait que la charge vienne à la fois en plus et en moins de saveurs alors que la masse ne peut être que positive, mais ne vous inquiétez pas pour le moment.

Bonne chance pour votre projet!

Une chose, qui intimide et intimide moi, est-ce que le terme Charge désigne?

D'abord, un peu de contextualisation...

À l'heure actuelle, nous pensons que, compte tenu des observations et des résultats expérimentaux obtenus jusqu'à présent, il existe quatre " interactions fondamentales " et que l'interaction électromagnétique est l'une de ces quatre.

Qu'est-ce qu'une interaction fondamentale ? De l'article lié de Wikipedia:

Les interactions fondamentales, également appelées forces fondamentales ou forces interactives, sont modélisées en physique fondamentale en tant que modèles de relations dans les systèmes physiques, évoluant dans le temps, qui ne semblent pas réductibles aux relations entre entités plus fondamentales .

Imaginez que vous observiez que deux objets s’attirent ou se repoussent, mais que ces objets n’attirent ni ne repoussent d’autres objets. Pour tenter d'expliquer ou de modéliser cela, vous pouvez émettre l'hypothèse que les deux objets en interaction ont une propriété que les autres objets ne possèdent pas. Vous pourriez même appeler cette propriété une charge . Vous pouvez également émettre l’hypothèse, après des observations supplémentaires, qu’il existe deux types et que "les charges opposées attirent" et "les charges analogues se repoussent".

Dans certains cas, l'interaction peut être explicable par un autre phénomène connu ou, il se peut que nous déterminons l'interaction simple est - il est donné et le meilleur que nous pouvons faire est de modéliser l'interaction sans être à expliquer en termes de quelque chose » plus fondamental '.

C'est ce que nous faisons avec la charge électrique et l'interaction électromagnétique. Nous l' observons et de tenter de modéliser des notions mathématiques et de l' utilisation telles que la charge électrique et champ électrique , etc.

À un moment donné, nous pourrons peut-être découvrir une autre "couche" plus fondamentale de la réalité et pouvoir répondre à la question "qu'est - ce que la charge électrique?" en ces termes.

Par exemple, certains théoriciens imaginent que la charge électrique est en réalité le mode de vibration d'une entité 1D fondamentale - un superstring supersymétrique - qui «vit» en quelque sorte en 10 ou 11 dimensions, dont 3 sont nos dimensions spatiales «ordinaires».

Mais cela ne mène vraiment qu'à la question "mais quel est ce truc plus fondamental?" Qu'est - ce qu'un supersymmetric?

À ce stade, il est préférable de ne pas se demander ce que la charge électrique est , mais plutôt de se demander comment cela fonctionne , par exemple, la loi de Coulomb .

De plus, si vous êtes intéressé par l'apprentissage de l'électronique pratique, vous devrez vous concentrer sur la théorie des circuits, qui est davantage axée sur la tension et le courant que sur la charge électrique.

Je trouve utile de penser à la charge comme une chose , du type "un électron équivaut à une charge". Je ne pense pas que beaucoup de concepts en électronique correspondent directement au concept d'objet physique comme celui-ci.

Si la charge est une chose , «tension» décrit la quantité d'énergie associée à une charge particulière (peut-être de manière analogue à la façon dont un objet peut être chaud ou froid) et «courant» est la quantité de charge qui traverse un fil dans un environnement donné. temps. La tension sur un condensateur est proportionnelle à la quantité de charge stockée sur ses plaques, la constante de proportionnalité étant la taille du condensateur. Etc.

C'est extrêmement simpliste, mais vous trouverez peut-être un modèle mental utile pour commencer.

Pour ajouter à l'image mentale de Olin.

Pensez à la batterie ou à l’alimentation comme quelque chose qui peut prendre des électrons d’un côté et les empiler de l’autre, de sorte que vous avez un jour la famine et un excès de l’autre. Le côté affamé commence alors à extraire ces électrons lâches des atomes situés à cette extrémité du circuit, créant ainsi un effet d’ondulation ou de chaîne. comme une brigade à seaux, les électrons lâches sautent d'atome en atome vers le côté affamé de la batterie, et comme vous pouvez le deviner quand vous suivez ce circuit tout autour de l'autre extrémité de la batterie où les atomes ont trop d'électrons, ils sont heureux de les donner aux atomes du circuit qui les font ensuite circuler. plus la batterie peut affamer une extrémité et dépasser l'autre, plus vite les atomes du circuit tentent de compenser en déplaçant ces pièces de rechange dans le circuit. Le flux de ces pièces de rechange autour du circuit est courant. La batterie ayant un surplus d'un côté et la famine de l'autre est la tension.

Maintenant, comment la batterie prive-t-elle une extrémité d'électrons et la donne-t-elle à l'autre? C'est la magie des piles et une question distincte. Parfois, c'est une chimie, un effet secondaire de réactions chimiques. Mais cela dépend de la technologie de la batterie. De même, que se passe-t-il si ce n'est pas une batterie, mais une verrue murale ou un courant alternatif sortant de la prise murale? Une autre bonne question.

Je trouve qu'il est plus facile de penser au flux d'électrons comme à l'eau dans les tuyaux, ce que vous pouvez visualiser car vous avez probablement déjà fait l'expérience de tuyaux ou de flexibles et d'eau. L’eau est pompée d’un bout à l’autre de la batterie, en la poussant à travers le tuyau (circuit) et en atterrissant à l’extrémité affamée de la pompe, pour être à nouveau poussée. Nous perdons un peu d'eau au cours du processus, de sorte qu'avec le temps, la pompe ne dispose plus de suffisamment d'eau pour faire fonctionner l'appareil (la batterie est épuisée). Les résistances ne sont que des nœuds dans le circuit qui ralentissent l'eau. les gros fils sont comme un plus gros tuyau que vous pouvez déplacer plus d'eau à travers. La vitesse de l'eau est le courant, hmmm ... et ainsi de suite.

La réponse la plus précise serait "personne ne sait". Cependant, nous pouvons encore étudier ses propriétés.

Nous pouvons modéliser le monde entier en termes de «champs». Un champ est comme une feuille de caoutchouc tendue. La feuille ne doit pas nécessairement être plate; à certains endroits, il peut s'élever et à d'autres endroits, il peut plonger. Ces déviations agissent comme une charge. Bien sûr, le monde réel est en 3D mais une feuille n’est qu’un modèle 2D.

Il existe différents types de champs, en fonction de la manière dont leur charge peut se comporter.

Il existe un domaine dans lequel la charge ne peut aller que dans un sens. Par exemple, la feuille peut n'avoir que des bosses vers le haut, pas des baisses. Nous appelons cela la gravité de champ, et cette charge «à sens unique» est appelée masse. Deux masses (bosses) vont toujours s’attirer, mais la masse est assez faible: les bosses ne sont pas très hautes. C'est pourquoi un minuscule moteur de fusée est capable de s'éloigner de la Terre et de maîtriser la masse de la planète. Cependant, comme toutes les bosses vont dans le même sens, elles vont toujours s'accumuler, ce qui donne des structures énormes comme des galaxies. La seule raison pour laquelle tout ne s'est pas attiré en une masse énorme est parce que l'Univers est en expansion, ce qui étend tout plus rapidement que la gravité ne peut l'agréger.

Il y a un domaine différent où la charge peut aller «de deux manières», par exemple des bosses vers le haut et des creux. C'est le champ électromagnétique sur lequel repose l'électronique. La charge dans ce champ est appelée "charge électrique", ou simplement "charge", et nous distinguons les deux "directions" en appelant l'une "positive" et l'autre "négative". Ces charges sont plus fortes que la masse, ce que nous pouvons voir si nous utilisons une tige chargée pour ramasser des morceaux de papier. Cependant, contrairement à la masse, des charges similaires se repoussent (positif-positif ou négatif-négatif) et des charges opposées s’attirent. Cela provoque le mélange des charges électriques, comme le mélange de peinture blanche et de peinture noire, de sorte que le résultat est "neutre" et que cela n'a pas beaucoup d'effet sur les très grandes échelles (galactiques). cependant, la physique quantique empêche tout de se mélanger complètement; quand on regarde assez près, il y a de petites masses indivisibles de charges positives et négatives. Ce sont généralement des électrons et des protons, mais ils sont mélangés dans de petites masses neutres appelées atomes. L'électronique consiste à déplacer des électrons entre des atomes (notez qu'éloigner un électron d'un atome n'est pas la même chose que «scinder l'atome», ce qui signifie autre chose!).

Il y a un autre type de champ où l'accusation peut aller dans trois directions. C'est ce qu'on appelle le champ nucléaire (fort) et se comporte de manière très étrange. La charge de ce champ est appelée "couleur", avec les "directions" appelées "rouge", "vert" et "bleu". Notez que ce ne sont que des noms inventés, comme «positif» et «négatif», pour que tout le monde parle de la même chose. Les mots eux-mêmes ne veulent rien dire.

Si nous imaginons ces champs comme des feuilles de caoutchouc, nous pouvons les empiler les uns sur les autres. Il y aura des motifs dans la charge: la bosse s’aligne généralement, de sorte que, par exemple, une charge électrique se déplace avec une masse. Nous appelons ces motifs "fermions" et donnons des noms tels que "électrons", "pions", etc.

On peut aussi faire des vagues sur les draps. Les ondes sur la feuille électromagnétique correspondent aux ondes lumineuses.

Un autre champ est généralement mentionné, appelé champ «nucléaire faible», mais la récente découverte du boson de Higgs montre que cela pourrait en fait faire partie du champ électromagnétique (une théorie connue sous le nom de champ «électrofaible»).

Une charge est une propriété de certaines des particules élémentaires. Tels que l'électron (qui a une charge négative) et le proton (qui a une charge positive).

Les charges sont mesurées en coulomb (lire KOOLON) d'après un scientifique français. L'électron a -1.6 * 10 ^ -19 C (charge négative) et le proton a un + 1.6 * 10 ^ 19 C.

Les charges (ou les particules qui ont ces charges) de polarités opposées s'attirent et celles de même polarités se repoussent. Demander "pourquoi" à ce niveau revient à demander pourquoi l’univers existe pour que les choses deviennent philosophiques à partir de là. C'est juste la façon dont fonctionne l'univers. Alors oui ... Nous ne savons pas pourquoi une accusation existe ou comment ... ou ce que c'est exactement. Nous l'appelons simplement une "propriété". Et nous ne décrivons que ce qu'il fait ou comment il se comporte. Notez que nous aurions pu inverser arbitrairement les polarités des charges (un électron porterait une charge positive et un proton porterait une charge négative) et tout fonctionnera toujours comme avant. Parce que c'est toujours une description valide.

La charge n'est pas une propriété de l'atome. Les atomes (dans leur état non ionisé) sont tous neutres (ils n'ont pas de charge nette: nombre d'électrons == nombre de protons). Maintenant, si un atome perd un électron, le nombre de charges positives (des protons) sera supérieur à le nombre de charges négatives donc il apparaît que l'atome (maintenant appelé un ion / été ionisé) porte une charge positive!

Un courant est un flux de charges. Quelques exemples de ce serait:

Le flux d'électrons dans un métal (charges négatives) est ce que vous mesurez comme courant dans un fil de cuivre.

Le flux d'ions (les atomes ionisés susmentionnés) est ce qui constitue le courant dans les solutions électrolytiques.

Say you have a particle, or a group of particles. Create a closed Gaussian surface around it. Then charge can be defined as the surface integral of the electric field flux through the Gaussian surface divided by the permittivity constant. I know this isn't what you were looking for (it's clearly going to be over your head) but I thought it might be a good addition to the other answers here that do answer your question. Or in other words charge is the extent to which something exists in an non neutral constant form.