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La carga eléctrica es la propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético . Hay dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa (comúnmente transportada por protones y electrones respectivamente). Las cargas iguales se repelen entre sí y las cargas diferentes se atraen entre sí. Un objeto con ausencia de carga neta se denomina neutral . El conocimiento temprano de cómo interactúan las sustancias cargadas ahora se denomina electrodinámica clásica , y sigue siendo preciso para problemas que no requieren consideración deefectos cuánticos .

La carga eléctrica es una propiedad conservada ; la carga neta de un sistema aislado , la cantidad de carga positiva menos la cantidad de carga negativa, no puede cambiar. La carga eléctrica es transportada por partículas subatómicas . En la materia ordinaria, la carga negativa la llevan los electrones y la carga positiva los protones en los núcleos de los átomos . Si hay más electrones que protones en una pieza de materia, tendrá una carga negativa, si hay menos tendrá una carga positiva, y si hay números iguales será neutral. La carga se cuantifica ; Viene en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadas carga elemental , e, acerca de 1,602 × 10 −19  culombios , [1] que es la carga más pequeña que puede existir libremente (las partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de1/3e , pero solo se encuentran en combinación, y siempre se combinan para formar partículas con carga entera). El protón tiene una carga de + e y el electrón tiene una carga de - e .

Las cargas eléctricas producen campos eléctricos . [2] Una carga en movimiento también produce un campo magnético . [3] La interacción de cargas eléctricas con un campo electromagnético (combinación de campos eléctricos y magnéticos) es la fuente de la fuerza electromagnética (o Lorentz) , [4] que es una de las cuatro fuerzas fundamentales en física . El estudio de las interacciones mediadas por fotones entre partículas cargadas se denomina electrodinámica cuántica . [5]

La unidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (C) que lleva el nombre del físico francés Charles-Augustin de Coulomb . En ingeniería eléctrica también es común utilizar el amperio-hora (Ah). En física y química es común utilizar la carga elemental ( e como unidad). La química también usa la constante de Faraday como carga en un mol de electrones. El símbolo q en minúsculas a menudo denota carga.

Resumen [ editar ]

Diagrama que muestra líneas de campo y equipotenciales alrededor de un electrón , una partícula cargada negativamente. En un átomo eléctricamente neutro , el número de electrones es igual al número de protones (que están cargados positivamente), lo que resulta en una carga total neta cero.

La carga es la propiedad fundamental de la materia que exhibe atracción o repulsión electrostática en presencia de otra materia con carga. La carga eléctrica es una propiedad característica de muchas partículas subatómicas . Las cargas de las partículas independientes son múltiplos enteros de la carga elemental e ; decimos que la carga eléctrica está cuantificada . Michael Faraday , en sus experimentos de electrólisis , fue el primero en notar la naturaleza discreta de la carga eléctrica. El experimento de la gota de aceite de Robert Millikan demostró este hecho directamente y midió la carga elemental. Se ha descubierto que un tipo de partícula, los quarks, tienen cargas fraccionarias de:1/3 o +2/3, pero se cree que siempre ocurren en múltiplos de carga integral; Nunca se han observado quarks independientes.

Por convención , la carga de un electrón es negativa, −e , mientras que la de un protón es positiva, + e . Las partículas cargadas cuyas cargas tienen el mismo signo se repelen entre sí, y las partículas cuyas cargas tienen diferentes signos se atraen. La ley de Coulomb cuantifica la fuerza electrostática entre dos partículas al afirmar que la fuerza es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. La carga de una antipartícula es igual a la de la partícula correspondiente, pero con signo opuesto.

La carga eléctrica de un objeto macroscópico es la suma de las cargas eléctricas de las partículas que lo componen. Esta carga suele ser pequeña, porque la materia está hecha de átomos , y los átomos suelen tener el mismo número de protones y electrones , en cuyo caso sus cargas se cancelan, produciendo una carga neta de cero, lo que hace que el átomo sea neutral.

Un ion es un átomo (o grupo de átomos) que ha perdido uno o más electrones, dándole una carga neta positiva (catión), o que ha ganado uno o más electrones, dándole una carga neta negativa (anión). Los iones monoatómicos se forman a partir de átomos individuales, mientras que los iones poliatómicos se forman a partir de dos o más átomos que se han unido, en cada caso produciendo un ion con una carga neta positiva o negativa.

Campo eléctrico inducido por una carga eléctrica positiva (izquierda) y un campo inducido por una carga eléctrica negativa (derecha).

Durante la formación de objetos macroscópicos, los átomos e iones constituyentes generalmente se combinan para formar estructuras compuestas por compuestos iónicos neutros unidos eléctricamente a átomos neutros. Por lo tanto, los objetos macroscópicos tienden a ser neutrales en general, pero los objetos macroscópicos rara vez son perfectamente neutrales.

A veces, los objetos macroscópicos contienen iones distribuidos por todo el material, unidos rígidamente en su lugar, lo que proporciona una carga neta general positiva o negativa al objeto. Además, los objetos macroscópicos hechos de elementos conductores pueden más o menos fácilmente (dependiendo del elemento) tomar o emitir electrones y luego mantener una carga neta negativa o positiva indefinidamente. Cuando la carga eléctrica neta de un objeto es distinta de cero y está inmóvil, el fenómeno se conoce como electricidad estática . Esto se puede producir fácilmente frotando dos materiales diferentes, como frotando ámbar con piel o vidrio con seda.. De esta manera, los materiales no conductores se pueden cargar en un grado significativo, ya sea de forma positiva o negativa. La carga tomada de un material se mueve al otro material, dejando atrás una carga opuesta de la misma magnitud. Siempre se aplica la ley de conservación de la carga , dando al objeto del que se toma una carga negativa una carga positiva de la misma magnitud, y viceversa.

Incluso cuando la carga neta de un objeto es cero, la carga se puede distribuir de manera no uniforme en el objeto (por ejemplo, debido a un campo electromagnético externo o moléculas polares unidas). En tales casos, se dice que el objeto está polarizado . La carga debida a la polarización se conoce como carga ligada , mientras que la carga en un objeto producida por electrones ganados o perdidos desde el exterior del objeto se llama carga libre . El movimiento de los electrones en los metales conductores en una dirección específica se conoce como corriente eléctrica .

Unidades [ editar ]

La unidad de cantidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (símbolo: C). El culombio se define como la cantidad de carga que pasa a través de la sección transversal de un conductor eléctrico que lleva un amperio durante un segundo . [6] Esta unidad se propuso en 1946 y se ratificó en 1948. [6] En la práctica moderna, se utiliza la frase "cantidad de cargo" en lugar de "cantidad de cargo". [7] El símbolo q en minúsculas se utiliza a menudo para indicar una cantidad de electricidad o carga. La cantidad de carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro., o medido indirectamente con un galvanómetro balístico .

La cantidad de carga en 1 electrón ( carga elemental ) se define como una constante fundamental en el sistema SI de unidades (efectivo a partir del 20 de mayo de 2019). [8] El valor de la carga elemental, cuando se expresa en la unidad SI de carga eléctrica (culombio), es exactamente 1,602 176 634 × 10 -19  C [1] . [8]

Después de encontrar el carácter cuantificado de la carga, en 1891 George Stoney propuso la unidad "electrón" para esta unidad fundamental de carga eléctrica. Esto fue antes del descubrimiento de la partícula por JJ Thomson en 1897. La unidad se conoce hoy como carga elemental , unidad fundamental de carga o simplemente como e . Una medida de carga debe ser un múltiplo de la carga elemental e , incluso si a gran escala la carga parece comportarse como una cantidad real . En algunos contextos, es significativo hablar de fracciones de carga; por ejemplo en la carga de un condensador , o en elefecto Hall cuántico fraccional .

La unidad faraday se utiliza a veces en electroquímica. Un faraday de carga es la magnitud de la carga de un mol de electrones, [9] es decir, 96485,33289 (59) C.

En sistemas de unidades distintas del SI, como cgs , la carga eléctrica se expresa como una combinación de solo tres cantidades fundamentales (longitud, masa y tiempo), y no cuatro, como en el SI, donde la carga eléctrica es una combinación de longitud, masa, tiempo y corriente eléctrica. [10] [11]

Historia [ editar ]

Equilibrio de torsión de Coulomb

Desde la antigüedad, la gente estaba familiarizada con cuatro tipos de fenómenos que hoy en día se explican utilizando el concepto de carga eléctrica: (a) relámpago , (b) el pez torpedo (o rayo eléctrico), (c) el fuego de San Telmo y (d) que el ámbar frotado con piel atraería objetos pequeños y livianos. [12] El primer relato del efecto ámbar se atribuye a menudo al antiguo matemático griego Tales de Mileto , que vivió desde c. 624 - c. 546 aC, pero existen dudas sobre si Tales dejó algún escrito; [13] su relato sobre el ámbar se conoce por un relato de principios de los años 200. [14]Esta cuenta puede tomarse como evidencia de que el fenómeno se conocía desde al menos c. 600 aC, pero Tales explicó este fenómeno como evidencia de que los objetos inanimados tienen alma. [14] En otras palabras, no hubo indicios de ningún concepto de carga eléctrica. De manera más general, los antiguos griegos no entendían las conexiones entre estos cuatro tipos de fenómenos. Los griegos observaron que los botones ámbar cargados podían atraer objetos ligeros como el cabello . También encontraron que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso podían hacer saltar una chispa eléctrica , [ cita requerida ] pero también se afirma que no apareció ninguna mención de las chispas eléctricas hasta finales del siglo XVII. [15]Esta propiedad se deriva del efecto triboeléctrico . A finales del siglo XI, se observó que la sustancia jet , una forma compacta de carbón, tenía un efecto ámbar, [16] ya mediados del siglo XVI, Girolamo Fracastoro , descubrió que el diamante también mostraba este efecto. [17] Fracastoro y otros hicieron algunos esfuerzos, especialmente Gerolamo Cardano, para desarrollar explicaciones para este fenómeno. [18]

En contraste con la astronomía , la mecánica y la óptica , que se habían estudiado cuantitativamente desde la antigüedad, el inicio de la investigación cualitativa y cuantitativa en curso sobre los fenómenos eléctricos puede estar marcado con la publicación de De Magnete por el científico inglés William Gilbert en 1600. [19] En este libro, había una pequeña sección donde Gilbert volvió al efecto ámbar (como él lo llamó) al abordar muchas de las teorías anteriores, [18] y acuñó la nueva palabra latina electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), la palabra griega para ámbar). La palabra latina se tradujo al inglés como eléctrico . [20] A Gilbert también se le atribuye el término eléctrico , mientras que el término electricidad vino más tarde, atribuido por primera vez a Sir Thomas Browne en su Pseudodoxia Epidemica de 1646. [21] (Para obtener más detalles lingüísticos, consulte Etimología de la electricidad.) Gilbert planteó la hipótesis de que este efecto ámbar podría explicarse por un efluvio (una pequeña corriente de partículas que fluye desde el objeto eléctrico, sin disminuir su volumen o peso) que actúa sobre otros objetos. Esta idea de un efluvio eléctrico material fue influyente en los siglos XVII y XVIII. Fue un precursor de las ideas desarrolladas en el siglo XVIII sobre "fluido eléctrico" (Dufay, Nollet, Franklin) y "carga eléctrica". [22]

Alrededor de 1663, Otto von Guericke inventó lo que probablemente fue el primer generador electrostático , pero no lo reconoció principalmente como un dispositivo eléctrico y solo realizó experimentos eléctricos mínimos con él. [23] Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle , quien en 1675 publicó el primer libro en inglés dedicado exclusivamente a los fenómenos eléctricos. [24] Su trabajo fue en gran parte una repetición de los estudios de Gilbert, pero también identificó varias "eléctricas" más, [25] y notó la atracción mutua entre dos cuerpos. [24]

En 1729, Stephen Gray estaba experimentando con electricidad estática , que generaba con un tubo de vidrio. Notó que un corcho, utilizado para proteger el tubo del polvo y la humedad, también se electrificó (cargó). Otros experimentos (p. Ej., Extender el corcho colocando palos delgados en él) mostraron, por primera vez, que los efluvios eléctricos (como los llamó Gray) podían transmitirse (conducirse) a distancia. Gray logró transmitir carga con hilo (765 pies) y alambre (865 pies). [26] A través de estos experimentos, Gray descubrió la importancia de diferentes materiales, que facilitaban o dificultaban la conducción de efluvios eléctricos. John Theophilus Desaguliers, quien repitió muchos de los experimentos de Gray, se le atribuye haber acuñado los términos conductores y aislantes para referirse a los efectos de diferentes materiales en estos experimentos. [26] Gray también descubrió la inducción eléctrica (es decir, donde la carga podría transmitirse de un objeto a otro sin ningún contacto físico directo). Por ejemplo, mostró que al acercar un tubo de vidrio cargado a, pero sin tocar, un trozo de plomo sostenido por un hilo, era posible hacer que el plomo se electrificara (por ejemplo, para atraer y repeler las limaduras de latón). [27] Intentó explicar este fenómeno con la idea de efluvios eléctricos. [28]

Los descubrimientos de Gray introdujeron un cambio importante en el desarrollo histórico del conocimiento sobre la carga eléctrica. El hecho de que los efluvios eléctricos pudieran ser transferidos de un objeto a otro, abrió la posibilidad teórica de que esta propiedad no estuviera inseparablemente conectada a los cuerpos que fueron electrificados por el roce. [29] En 1733 Charles François de Cisternay du Fay , inspirado en el trabajo de Gray, hizo una serie de experimentos (reportados en Mémoires de l ' Académie Royale des Sciences ), mostrando que más o menos todas las sustancias podían ser' electrificadas 'frotando, a excepción de los metales y los fluidos [30] y propuso que la electricidad viene en dos variedades que se cancelan entre sí, lo que expresó en términos de una teoría de dos fluidos.[31] Cuando el vidrio se frotó con seda , du Fay dijo que el vidrio se cargó con electricidad vítrea y, cuando el ámbar se frotó con la piel, el ámbar se cargó con electricidad resinosa . En la comprensión contemporánea, la carga positiva ahora se define como la carga de una barra de vidrio después de frotarla con una tela de seda, pero es arbitrario qué tipo de carga se llama positiva y cuál se llama negativa. [32] Otra importante teoría de dos fluidos de esta época fue propuesta por Jean-Antoine Nollet (1745). [33]

Hasta alrededor de 1745, la principal explicación de la atracción y repulsión eléctricas era la idea de que los cuerpos electrificados desprendían un efluvio. [34] Benjamin Franklin inició experimentos eléctricos a finales de 1746, [35] y en 1750 había desarrollado una teoría de la electricidad de un fluido , basada en un experimento que mostraba que un vidrio frotado recibía la misma fuerza de carga, pero opuesta, que la tela. utilizado para frotar el vidrio. [35] [36] Franklin imaginó la electricidad como un tipo de fluido invisible presente en toda la materia; por ejemplo, creía que era el vaso en un frasco de Leydenque tenía la carga acumulada. Postuló que frotar las superficies aislantes entre sí provocó que este fluido cambiara de ubicación, y que un flujo de este fluido constituye una corriente eléctrica. También postuló que cuando la materia contenía un exceso de fluido estaba cargada positivamente y cuando tenía un déficit estaba cargada negativamente . Identificó el término positivo con electricidad vítrea y negativo.con electricidad resinosa después de realizar un experimento con un tubo de vidrio que había recibido de su colega Peter Collinson en el extranjero. El experimento hizo que el participante A cargara el tubo de vidrio y el participante B recibiera un golpe en el nudillo del tubo cargado. Franklin identificó que el participante B estaba cargado positivamente después de haber sido electrocutado por el tubo. [37] Existe cierta ambigüedad acerca de si William Watson llegó de forma independiente a la misma explicación de un fluido en la misma época (1747). Watson, después de ver la carta de Franklin a Collinson, afirma que había presentado la misma explicación que Franklin en la primavera de 1747. [38]Franklin había estudiado algunas de las obras de Watson antes de realizar sus propios experimentos y análisis, lo que probablemente fue significativo para la propia teorización de Franklin. [39] Un físico sugiere que Watson propuso primero una teoría de un fluido, que Franklin luego elaboró ​​más y de manera más influyente. [40] Un historiador de la ciencia sostiene que Watson pasó por alto una sutil diferencia entre sus ideas y las de Franklin, por lo que Watson malinterpretó sus ideas como si fueran similares a las de Franklin. [41] En cualquier caso, no hubo animosidad entre Watson y Franklin, y el modelo de acción eléctrica de Franklin, formulado a principios de 1747, finalmente llegó a ser ampliamente aceptado en ese momento. [39] Después del trabajo de Franklin, rara vez se presentaron explicaciones basadas en efluvios.[42]

Ahora se sabe que el modelo de Franklin era fundamentalmente correcto. Solo hay un tipo de carga eléctrica y solo se requiere una variable para realizar un seguimiento de la cantidad de carga. [43]

Hasta 1800 solo era posible estudiar la conducción de la carga eléctrica utilizando una descarga electrostática. En 1800, Alessandro Volta fue el primero en demostrar que la carga podía mantenerse en movimiento continuo a través de un camino cerrado. [44]

En 1833, Michael Faraday trató de eliminar cualquier duda de que la electricidad es idéntica, independientemente de la fuente por la que se produzca. [45] Habló de una variedad de formas conocidas, que caracterizó como electricidad común (p. Ej., Electricidad estática , piezoelectricidad , inducción magnética ), electricidad voltaica (p. Ej., Corriente eléctrica de una pila voltaica ) y electricidad animal (p. Ej., Bioelectricidad ). .

En 1838, Faraday planteó una pregunta sobre si la electricidad era un fluido o fluidos o una propiedad de la materia, como la gravedad. Investigó si la materia podía ser acusada de un tipo de cargo independientemente del otro. [46] Llegó a la conclusión de que la carga eléctrica era una relación entre dos o más cuerpos, porque no podía cargar un cuerpo sin tener una carga opuesta en otro cuerpo. [47]

En 1838, Faraday también propuso una explicación teórica de la fuerza eléctrica, al tiempo que expresaba neutralidad sobre si se originaba a partir de uno, dos o ningún fluido. [48] Se centró en la idea de que el estado normal de las partículas debe ser no polarizado, y que cuando se polarizan, buscan volver a su estado natural no polarizado.

Al desarrollar un enfoque de teoría de campo para la electrodinámica (a partir de mediados de la década de 1850), James Clerk Maxwell deja de considerar la carga eléctrica como una sustancia especial que se acumula en los objetos y comienza a comprender la carga eléctrica como consecuencia de la transformación de la energía en el campo. . [49] Esta comprensión pre-cuántica consideraba que la magnitud de la carga eléctrica era una cantidad continua, incluso a nivel microscópico. [49]

El papel de la carga en la electricidad estática [ editar ]

La electricidad estática se refiere a la carga eléctrica de un objeto y la descarga electrostática relacionada cuando se juntan dos objetos que no están en equilibrio. Una descarga electrostática crea un cambio en la carga de cada uno de los dos objetos.

Electrificación por fricción [ editar ]

Cuando una pieza de vidrio y una pieza de resina, ninguna de las cuales exhibe propiedades eléctricas, se frotan juntas y se dejan con las superficies frotadas en contacto, todavía no exhiben propiedades eléctricas. Cuando se separan, se atraen entre sí.

Una segunda pieza de vidrio frotada con una segunda pieza de resina, luego separada y suspendida cerca de las antiguas piezas de vidrio y resina provoca estos fenómenos:

  • Las dos piezas de vidrio se repelen.
  • Cada pieza de vidrio atrae cada pieza de resina.
  • Las dos piezas de resina se repelen.

Esta atracción y repulsión es un fenómeno eléctrico , y se dice que los cuerpos que las exhiben están electrificados o cargados eléctricamente . Los cuerpos pueden electrificarse de muchas otras formas, así como por fricción. Las propiedades eléctricas de las dos piezas de vidrio son similares entre sí pero opuestas a las de las dos piezas de resina: el vidrio atrae lo que repele la resina y repele lo que atrae la resina.

Si un cuerpo electrificado de cualquier manera se comporta como lo hace el vidrio, es decir, si repele el vidrio y atrae la resina, se dice que el cuerpo está electrificado vítreamente , y si atrae el vidrio y repele la resina, se dice que estar resinosamente electrificado. Todos los cuerpos electrificados están electrificados de forma vítrea o resinosa.

Una convención establecida en la comunidad científica define la electrificación vítrea como positiva y la electrificación resinosa como negativa. Las propiedades exactamente opuestas de los dos tipos de electrificación justifican que las indiquemos mediante signos opuestos, pero la aplicación del signo positivo a uno en lugar del otro tipo debe considerarse como una cuestión de convención arbitraria, al igual que se trata de una cuestión de convención en diagrama matemático para calcular distancias positivas hacia la mano derecha.

No se puede observar ninguna fuerza, ni de atracción ni de repulsión, entre un cuerpo electrificado y un cuerpo no electrificado. [50]

El papel de la carga en la corriente eléctrica [ editar ]

La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica a través de un objeto, que no produce pérdida o ganancia neta de carga eléctrica. Los portadores de carga más comunes son el protón cargado positivamente y el electrón cargado negativamente . El movimiento de cualquiera de estas partículas cargadas constituye una corriente eléctrica. En muchas situaciones, basta hablar de la corriente convencional sin importar si es transportada por cargas positivas que se mueven en la dirección de la corriente convencional o por cargas negativas que se mueven en la dirección opuesta. Este punto de vista macroscópico es una aproximación que simplifica los conceptos y cálculos electromagnéticos.

En el extremo opuesto, si uno mira la situación microscópica, ve que hay muchas formas de transportar una corriente eléctrica , incluyendo: un flujo de electrones; un flujo de huecos de electrones que actúan como partículas positivas; y partículas tanto negativas como positivas ( iones u otras partículas cargadas) que fluyen en direcciones opuestas en una solución electrolítica o un plasma .

Tenga en cuenta que, en el caso común e importante de los cables metálicos, la dirección de la corriente convencional es opuesta a la velocidad de deriva de los portadores de carga reales; es decir, los electrones. Esta es una fuente de confusión para los principiantes.

Conservación de la carga eléctrica [ editar ]

La carga eléctrica total de un sistema aislado permanece constante independientemente de los cambios dentro del propio sistema. Esta ley es inherente a todos los procesos conocidos por la física y puede derivarse en forma local a partir de la invariancia de calibre de la función de onda . La conservación de la carga da como resultado la ecuación de continuidad carga-corriente . De manera más general, la tasa de cambio en la densidad de carga ρ dentro de un volumen de integración V es igual al área integral sobre la densidad de corriente J a través de la superficie cerrada S = ∂ V , que a su vez es igual a la corriente neta I :

\ oiint

Así, la conservación de la carga eléctrica, expresada por la ecuación de continuidad, da el resultado:

La carga transferida entre tiempos y se obtiene integrando ambos lados:

donde I es la corriente neta de salida a través de una superficie cerrada yq es la carga eléctrica contenida dentro del volumen definido por la superficie.

Invarianza relativista [ editar ]

Aparte de las propiedades descritas en los artículos sobre electromagnetismo , la carga es un invariante relativista . Esto significa que cualquier partícula que tenga carga q tiene la misma carga sin importar qué tan rápido esté viajando. Esta propiedad se ha verificado experimentalmente al demostrar que la carga de un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo y moviéndose a altas velocidades) es la misma que dos núcleos de deuterio (un protón y un neutrón unidos, pero moviéndose mucho más lentamente de lo que lo harían si estuvieran en un núcleo de helio). [51] [52] [53]

Ver también [ editar ]

  • Unidades de electromagnetismo SI
  • Carga de color
  • Carga parcial

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Medios relacionados con la carga eléctrica en Wikimedia Commons
  • ¿Qué tan rápido decae una carga?