La carga elemental , generalmente denotada por e oa veces q e es la carga eléctrica transportada por un solo protón o, de manera equivalente, la magnitud de la carga eléctrica negativa transportada por un solo electrón , que tiene carga -1 e . [2] Esta carga elemental es una constante física fundamental . Para evitar la confusión sobre su signo, e se llama a veces la carga positiva primaria .
Carga eléctrica elemental | |
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Definición: | Carga de un protón |
Símbolo: | eo a veces q e |
Valor en culombios : | 1,602 176 634 × 10 −19 C [1] |
A partir de la redefinición de las unidades base del SI de 2019 , que entró en vigor el 20 de mayo de 2019, su valor es exactamente 1,602 176 634 × 10 −19 C [1] , por definición del culombio . En el sistema de unidades centímetro-gramo-segundo (CGS), es4.803 204 25 (10) × 10 −10 estaculombios . [3]
Hacer exacto el valor de la carga elemental implica que el valor de ε 0 ( constante eléctrica ), que antes era un valor exacto, ahora está sujeto a determinación experimental: ε 0 tenía un valor exactamente definido hasta la redefinición del SI de 2019, después de lo cual se ha convertido en un tema de refinamiento experimental a lo largo del tiempo. [4] Los comités del SI ( CGPM , CIPM , etc.) habían considerado durante mucho tiempo redefinir las unidades base del SI completamente en términos de constantes físicas para eliminar su dependencia de los artefactos físicos (como el Prototipo Internacional del Kilogramo ): para esto para funcionar, era necesario definir valores fijos para las constantes físicas. [5]
El experimento de la gota de aceite de Robert A. Millikan midió por primera vez la magnitud de la carga elemental en 1909.
Como una unidad
Carga elemental (como unidad de carga ) | |
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Unidad de sistema | Unidades atómicas |
Unidad de | carga eléctrica |
Símbolo | e o q |
Conversiones | |
1 e o q en ... | ... es igual a ... |
culombio | 1,602 176 634 × 10 −19 [1] |
estatculombio | 4,803 204 25 (10) × 10 −10 |
HEP : √ ħc | 0.30282212088 |
√ MeV ⋅ fm | √ 1.4399764 |
En algunos sistemas unitarios naturales , como el sistema de unidades atómicas , e funciona como la unidad de carga eléctrica, es decir, e es igual a 1 e en esos sistemas unitarios. El uso de la carga elemental como unidad fue promovido por George Johnstone Stoney en 1874 para el primer sistema de unidades naturales , llamadas unidades Stoney . [6] Más tarde, propuso el nombre electrón para esta unidad. En ese momento, la partícula que ahora llamamos electrón aún no se había descubierto y la diferencia entre el electrón de la partícula y la unidad de electrón de carga aún era borrosa. Posteriormente, se asignó el nombre de electrón a la partícula y la unidad de carga e perdió su nombre. Sin embargo, la unidad de energía electronvoltio nos recuerda que la carga elemental alguna vez se llamó electrón .
En las unidades de Lorentz-Heaviside, la unidad de carga es dependiente,, de modo que e = √ 4 π α √ ħc ≈ 0.30282212088 √ ħc , donde
α es la constante de estructura fina , c es la velocidad de la luz ,es la constante de Planck reducida .
Cuantización
La cuantificación de la carga es el principio de que la carga de cualquier objeto es un múltiplo entero de la carga elemental. Por lo tanto, la carga de un objeto puede ser exactamente 0 e , o exactamente 1 e , −1 e , 2 e , etc., pero no, digamos,1/2 e , o −3,8 e , etc. (Puede haber excepciones a esta declaración, dependiendo de cómo se defina "objeto"; ver más abajo).
Ésta es la razón de la terminología "carga elemental": pretende implicar que es una unidad de carga indivisible.
Cobra menos que una carga elemental
Hay dos tipos conocidos de excepciones a la indivisibilidad de la carga elemental: quarks y cuasipartículas .
- Los quarks , postulados por primera vez en la década de 1960, tienen carga cuantificada, pero la carga se cuantifica en múltiplos de1/3 e . Sin embargo, los quarks no pueden verse como partículas aisladas; existen solo en agrupaciones, y las agrupaciones estables de quarks (como un protón , que consta de tres quarks) tienen cargas que son múltiplos enteros de e . Por esta razón, 1 e o1/3 e puede considerarse justificadamente como "la cantidad de carga", según el contexto. Esta conmensurabilidad de carga, "cuantificación de carga", ha motivado parcialmente las teorías unificadas de Grand .
- Las cuasipartículas no son partículas como tales, sino más bien una entidad emergente en un sistema material complejo que se comporta como una partícula. En 1982, Robert Laughlin explicó el efecto Hall cuántico fraccional postulando la existencia de cuasipartículas cargadas fraccionadamente . Esta teoría es ahora ampliamente aceptada, pero no se considera una violación del principio de cuantificación de carga, ya que las cuasipartículas no son partículas elementales .
¿Cuál es el cuanto de carga?
Todas las partículas elementales conocidas , incluidos los quarks, tienen cargas que son múltiplos enteros de 1/3 e . Por tanto, se puede decir que el " cuanto de carga" es 1/3 e . En este caso, se dice que la "carga elemental" es tres veces más grande que el "cuanto de carga".
Por otro lado, todas las partículas aislables tienen cargas que son múltiplos enteros de e . (Los quarks no se pueden aislar: solo existen en estados colectivos como protones que tienen cargas totales que son múltiplos enteros de e ). Por lo tanto, se puede decir que el "cuanto de carga" es e , con la condición de que los quarks no deben ser incluido. En este caso, "carga elemental" sería sinónimo de "cuanto de carga".
De hecho, se utilizan ambas terminologías. [7] Por esta razón, frases como "el cuanto de carga" o "la unidad de carga indivisible" pueden ser ambiguas a menos que se den más especificaciones. Por otro lado, el término "carga elemental" no es ambiguo: se refiere a una cantidad de carga igual a la de un protón.
Falta de cargas fraccionarias
Paul Dirac argumentó en 1931 que si existen monopolos magnéticos , entonces la carga eléctrica debe cuantificarse; sin embargo, se desconoce si existen realmente los monopolos magnéticos. [8] [9] Actualmente se desconoce por qué las partículas aislables están restringidas a cargas enteras; gran parte del panorama de la teoría de cuerdas parece admitir cargas fraccionarias. [10] [11]
Medidas experimentales de la carga elemental
Antes de leer hay que recordar que el cargo elemental está exactamente definido desde el 20 de mayo de 2019 por el Sistema Internacional de Unidades .
En términos de la constante de Avogadro y la constante de Faraday
Si la constante de Avogadro N A y la constante de Faraday F se conocen de forma independiente, el valor de la carga elemental se puede deducir mediante la fórmula
(En otras palabras, la carga de un mol de electrones, dividida por el número de electrones en un mol, es igual a la carga de un solo electrón).
Este método no es la forma en que se miden los valores más precisos en la actualidad. Sin embargo, es un método legítimo y todavía bastante preciso, y las metodologías experimentales se describen a continuación.
El valor de la constante de Avogadro N A se aproximó primero por Johann Josef Loschmidt que, en 1865, calcula el diámetro promedio de las moléculas en el aire por un método que es equivalente a calcular el número de partículas en un volumen dado de gas. [12] Hoy en día, el valor de N A se puede medir con una precisión muy alta tomando un cristal extremadamente puro (a menudo silicio ), midiendo qué tan separados están los átomos usando difracción de rayos X u otro método, y midiendo con precisión la densidad de el cristal. A partir de esta información, se puede deducir la masa ( m ) de un solo átomo; y como se conoce la masa molar ( M ), se puede calcular el número de átomos en un mol: N A = M / m . [13]
El valor de F se puede medir directamente usando las leyes de electrólisis de Faraday . Las leyes de la electrólisis de Faraday son relaciones cuantitativas basadas en las investigaciones electroquímicas publicadas por Michael Faraday en 1834. [14] En un experimento de electrólisis , hay una correspondencia biunívoca entre los electrones que pasan a través del alambre ánodo-cátodo y el iones que se depositan dentro o fuera del ánodo o cátodo. La medición de la variación de la masa del ánodo o cátodo, y la carga total que pasa a través del alambre (que puede ser medido como el tiempo-integral de corriente eléctrica ), y también teniendo en cuenta la masa molar de los iones, se puede deducir F . [13]
El límite a la precisión del método es la medición de F : el mejor valor experimental tiene una incertidumbre relativa de 1,6 ppm, unas treinta veces más alta que otros métodos modernos de medición o cálculo de la carga elemental. [13] [15]
Experimento de la gota de aceite
Un método famoso para medir e es el experimento de la gota de aceite de Millikan. Una pequeña gota de aceite en un campo eléctrico se movería a una velocidad que equilibra las fuerzas de la gravedad , la viscosidad (de viajar a través del aire) y la fuerza eléctrica . Las fuerzas debidas a la gravedad y la viscosidad se podrían calcular en función del tamaño y la velocidad de la gota de aceite, por lo que se podría deducir la fuerza eléctrica. Dado que la fuerza eléctrica, a su vez, es el producto de la carga eléctrica y el campo eléctrico conocido, la carga eléctrica de la gota de aceite podría calcularse con precisión. Al medir las cargas de muchas gotas de aceite diferentes, se puede ver que todas las cargas son múltiplos enteros de una sola carga pequeña, a saber, e .
La necesidad de medir el tamaño de las gotas de aceite se puede eliminar utilizando pequeñas esferas de plástico de un tamaño uniforme. La fuerza debida a la viscosidad se puede eliminar ajustando la fuerza del campo eléctrico para que la esfera se mantenga inmóvil.
Disparo
Cualquier corriente eléctrica estará asociada con el ruido de una variedad de fuentes, una de las cuales es el ruido de disparo . El ruido de disparo existe porque una corriente no es un flujo continuo uniforme; en cambio, una corriente está formada por electrones discretos que pasan uno a la vez. Analizando cuidadosamente el ruido de una corriente, se puede calcular la carga de un electrón. Este método, propuesto por primera vez por Walter H. Schottky , puede determinar un valor de e cuya precisión se limita a un pequeño porcentaje. [16] Sin embargo, se utilizó en la primera observación directa de las cuasipartículas de Laughlin , implicadas en el efecto Hall cuántico fraccional . [17]
De las constantes de Josephson y von Klitzing
Otro método preciso para medir la carga elemental es inferirla de las mediciones de dos efectos en la mecánica cuántica : el efecto Josephson , oscilaciones de voltaje que surgen en ciertas estructuras superconductoras ; y el efecto Hall cuántico , un efecto cuántico de electrones a bajas temperaturas, campos magnéticos fuertes y confinamiento en dos dimensiones. La constante de Josephson es
donde h es la constante de Planck . Se puede medir directamente usando el efecto Josephson .
La constante de von Klitzing es
Se puede medir directamente utilizando el efecto Hall cuántico .
De estas dos constantes, se puede deducir la carga elemental:
Método CODATA
La relación utilizada por CODATA para determinar la carga elemental fue:
donde h es la constante de Planck , α es la constante de estructura fina , μ 0 es la constante magnética , ε 0 es la constante eléctrica y c es la velocidad de la luz . Actualmente, esta ecuación refleja una relación entre ε 0 y α , mientras que todas las demás son valores fijos. Por lo tanto, las incertidumbres estándar relativas de ambos serán las mismas.
Ver también
- CODATA 2018
Referencias
- ^ a b c "Valor CODATA 2018: carga elemental" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 20 de mayo de 2019 . Consultado el 20 de mayo de 2019 .
- ^ El símbolo e tiene muchos otros significados. De manera algo confusa, en física atómica , e a veces denota la carga del electrón, es decir, el negativo de la carga elemental. En los EE. UU., La base del logaritmo natural a menudo se denota e (en cursiva), mientras que generalmente se denota e (tipo romano) en el Reino Unido y Europa continental.
- ^ Esto se deriva delvalor y la incertidumbre del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , utilizando el hecho de que un culombio es exactamente 2 997 924 580 estaculombios. El factor de conversión es diez veces la velocidad numérica de la luz en metros por segundo .
- ^ Comité Consultivo de Electricidad y Magnetismo (2019). " Mise en pratique para la definición del amperio y otras unidades eléctricas en el SI" (PDF) . BIPM.
- ^ Oficina Internacional de Pesas y Medidas (2019-05-20), Folleto SI: El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (9a ed.), ISBN 978-92-822-2272-0, pag. 125
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Otras lecturas
- Fundamentos de Física , 7ª Ed., Halliday, Robert Resnick y Jearl Walker. Wiley, 2005