Carga llétrica

Carga llétrica
propiedá física escalar, cantidá física, magnitud aditiva (es) y carga (es)

La carga llétrica ye una propiedá física intrínseca de delles partícules subatómiques que se manifiesta por aciu fuercies d'atraición y repulsión ente elles pola mediación de campos electromagnéticos. La materia cargada llétricamente ye influyida polos campos electromagnéticos, siendo, de la mesma, xeneradora d'ellos. La denomada interaición electromagnética ente carga y campu llétrico ye una de los cuatro interaiciones fundamentales de la física. Dende'l puntu de vista del modelu estándar la carga llétrica ye una midida de la capacidá que tien una partícula pa intercambiar fotones.

Una de les principales carauterístiques de la carga llétrica ye que, en cualquier procesu físicu, la carga total d'un sistema aislláu siempres se caltién. Esto ye, la suma alxebraica de les cargues positives y negatives nun varia nel tiempu.

La carga llétrica ye de naturaleza discreta, fenómenu demostráu esperimentalmente por Robert Millikan. Por razones históriques, a los electrones asignóse-yos carga negativa: –1, tamién espresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +y. A los quarks asígnase-yos carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, anque nun-y los pudo reparar llibres na naturaleza.

Unidaes

Nel Sistema Internacional d'Unidaes la unidá de carga llétrica denómase culombiu o coulomb (símbolu C). Defínese como la cantidá de carga que pasa pola seición tresversal d'un conductor llétricu nun segundu, cuando la corriente llétrica ye d'un amperiu, y correspuéndese con:

• 1 culombiu = 6,242 x 10 ¹⁸ electrones llibres

Historia

Artículu principal: Historia del electromagnetismu

Esperimentu de la cometa de Benjamín Franklin.

Dende l'Antigua Grecia conozse que al estregar ámbare con una piel, ésta adquier la propiedá d'atraer cuerpos llixeros tales como cachos de paya y plumes pequeñes. El so descubrimientu atribúyese-y al filósofu griegu Tales de Mileto (ca. 639-547 e.C. ), quién vivió hai unos 2500 años.

En 1600 el médicu inglés William Gilbert reparó que dellos materiales pórtense como l'ámbare al estregalos y que l'atraición qu'exercen manifiéstase sobre cualquier cuerpu, entá cuando nun fuera llixeru. Como'l nome griegu correspondiente al ámbare ye ἤλεκτρον (ēlektron), Gilbert empezó a utilizar el términu llétricu pa referise a tou material que se portaba como aquél, lo qu'anició los términos lletricidá y carga llétrica. Amás, nos estudios de Gilbert puede atopase la diferenciación de los fenómenos llétricos y magnéticos.

El descubrimientu de l'atraición y repulsión d'elementos al conectalos con materiales llétricos atribuyir a Stephen Gray. El primeru en proponer la esistencia de dos tipos de carga ye Charles du Fay, anque foi Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos afayó como la lletricidá de los cuerpos, dempués de ser estregaos, distribuyir en ciertos llugares onde había más atraición; por eso denominar (+) y (-).

Sicasí, foi solo escontra mediaos del sieglu XIX cuando estes observaciones fueron plantegaes formalmente, gracies a los esperimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, escontra 1833, y que-y dexaron afayar la rellación ente la lletricidá y la materia; acompañáu de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Darréu, los trabayos de Joseph John Thomson al afayar l'electrón y de Robert Millikan al midir la so carga, fueron de gran ayuda pa conocer la naturaleza discreta de la carga.

Naturaleza de la carga

La carga llétrica ye una propiedá intrínseca de la materia que se presenta en dos tipos. Estes lleven agora'l nome coles que Benjamin Franklin denominar: cargues positives y negatives. Cuando cargues del mesmu tipu atopen se repelen y cuando son distintos atráense. Col advenimiento de la teoría cuántica relativista, pudo demostrase formalmente que les partícules, amás de presentar carga llétrica (sía nula o non), presenten un momentu magnéticu intrínsecu, denomináu espín, que surde de resultes d'aplicar la teoría de la relatividá especial a la mecánica cuántica.

Carga llétrica elemental

Les investigaciones actuales de la física apunten a que la carga llétrica ye una propiedá cuantizada. La unidá más elemental de carga atopóse que ye la carga que tien l'electrón, ye dicir alredor de 1,602 176 487(40) × 10^-19 culombios (C) y ye conocida como carga elemental. El valor de la carga llétrica d'un cuerpu, representada como q o Q, midir según el númberu d'electrones que tenga por demás o en defectu.

Esta propiedá conozse como cuantización de la carga y el valor fundamental correspuende al valor de carga llétrica que tien l'electrón y al cual representar como y. Cualquier carga q qu'esista físicamente, puede escribise como $\ N\times y$ siendo N un númberu enteru, positivu o negativu.

Por convención representar a la carga del electrón como -y, pal protón +y y pal neutrón, 0. La física de partícules postula que la carga de los quarks, partícules que componen a protones y neutrones tomen valores fraccionarios d'esta carga elemental. Sicasí, nunca se repararon quarks llibres y el valor de la so carga en xunto, nel casu del protón suma +y y nel neutrón suma 0.

Anque nun tenemos una esplicación abondo completa de porqué la carga ye una magnitú cuantizada, que namái puede apaecer en múltiplos de la carga elemental, s'han propuestos diverses idees:

• Paul Dirac amosó que si esiste un monopolo magnéticu la carga llétrica ten de tar cuantizada.
• Nel contestu de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar Klein atopó que si s'interpretaba'l campu electromagnéticu como un efeutu secundariu de la combadura d'un espaciu tiempu de topoloxía ${\mathcal {M}}\times S^{1}$, entós la compacidad de $S^{1}\,$ portaría que'l momentu llinial según la quinta dimensión taría cuantizado y de ende siguíase la cuantización de la carga.

Nel Sistema Internacional d'Unidaes la unidá de carga llétrica denominar culombiu (símbolu C) y defínese como la cantidá de carga qu'a la distancia de 1 metru exerz sobre otra cantidá de carga igual, la fuercia de 9×10⁹ N.

Un culombiu correspuende a la carga de 6,241 509 × 10¹⁸ electrones. El valor de la carga del electrón foi determináu ente 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y anguaño'l so valor nel Sistema Internacional acordies cola postrera llista de constantes del CODATA publicada ye:

$y={\frac {1C}{6,241509\times 10^{18}}}=1,602176\times 10^{-19}C$

Como'l culombiu puede nun ser afechiscu en delles aplicaciones, por ser demasiáu grande, utilícense tamién los sos submúltiplos:

1 miliculombiu = ${\frac {1C}{1.000}}=1mC$

1 microculombiu = ${\frac {1C}{1.000.000}}=1\mu C$

Frecuentemente úsase tamién el sistema CGS que la so unidá de carga llétrica ye'l Franklin (Fr). El valor de la carga elemental ye entós d'aproximao 4,803×10^–10 Fr.

Propiedaes de cargar

Principiu de caltenimientu de la carga

En concordanza colos resultaos esperimentales, el principiu de caltenimientu de la carga establez que nun hai destrucción nin creación neta de carga llétrica, y afirma qu'en tou procesu electromagnéticu la carga total d'un sistema aislláu caltiénse.

Nun procesu de lletrización, el númberu total de protones y electrones nun s'alteria, namái esiste una separación de les cargues llétriques. Por tanto, nun hai destrucción nin creación de carga llétrica, esto ye, la carga total caltiénse. Pueden apaecer cargues llétriques onde antes nun había, pero siempres lu fadrán de cuenta que la carga total del sistema permaneza constante. Amás esti caltenimientu ye llocal, asocede en cualquier rexón del espaciu por pequeña que sía.

Al igual que les otres ley de caltenimientu, el caltenimientu de la carga llétrica ta acomuñada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Asina pol teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano acomuñada a un grupu uniparamétrico de tresformamientos que dexen el lagrangiano invariante correspuénde-y una magnitú caltenida. El caltenimientu de la carga implica, al igual que'l caltenimientu de la masa, qu'en cada puntu del espaciu satisfaise una ecuación de continuidá que rellaciona la derivada de la densidá de carga llétrica cola diverxencia del vector densidá de corriente llétrica, dicha ecuación espresa que'l cambéu netu na densidá de carga $\rho$ dientro d'un volume prefijado $V$ ye igual a la integral de la densidá de corriente llétrica $J$ sobre la superficie $S$ que zarra'l volume, que de la mesma ye igual a la intensidá de corriente llétrica $I$:

$-{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho \,dV=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \mathbf {dS} =I=-{\frac {\partial Q}{\partial t}}$

Invariante relativista

Otra propiedá de la carga llétrica ye que ye un invariante relativista. Eso quier dicir que tolos observadores, ensin importar el so estáu de movimientu y el so velocidá, van poder siempres midir la mesma cantidá de carga. Asina, a diferencia del espaciu, el tiempu, la enerxía o'l momentu llinial, cuando un cuerpu o partícula mover a velocidaes comparables cola velocidá de la lluz, el valor de la so carga nun va variar.

Densidá de carga llétrica

Llámase densidá de carga llétrica a la cantidá de carga llétrica por unidá de llargor, área o volume que s'atopa sobre una llinia, una superficie o una rexón del espaciu, respeutivamente. Polo tanto estremar nestos trés tipos de densidá de carga. Representar coles lletres griegues lambda (λ), pa densidá de carga llinial, sigma (σ), pa densidá de carga superficial y ro (ρ), pa densidá de carga volumétrica.
Puede haber densidaes de carga tanto positives como negatives. Nun se debe confundir cola densidá de portadores de carga.

A pesar de que les cargues llétriques son cuantizadas con q y, poro, múltiplos d'una carga elemental, n'ocasiones les cargues llétriques nun cuerpu tán tan cercanes ente sigo, que puede suponese que tán distribuyíes de manera uniforme pol cuerpu del cual formen parte. La carauterística principal d'estos cuerpos ye que-y los puede estudiar como si fueren continuos, lo que fai más fácil, ensin perder xeneralidá, el so tratamientu. Estrémense tres tipos de densidá de carga llétrica: llinial, superficial y volumétrica.

Densidá de carga llinial

Usar en cuerpos lliniales como, por casu filos.

$\lambda ={\frac {Q}{L}}$

Onde $Q$ ye la carga zarrada nel cuerpu y $L$ ye'l llargor. Nel Sistema Internacional d'Unidaes (SI) midir en C/m (culombios por metro).

Densidá de carga superficial

Emplégase para superficies, por casu una plancha metálica delgada como'l papel d'aluminiu.

$\sigma ={\frac {Q}{S}}$

onde $Q$ ye la carga zarrada nel cuerpu y $S$ ye la superficie. Nel SI midir en C/m² (culombios por metru cuadráu).

Densidá de carga volumétrica

Emplegar pa cuerpos que tienen volume.

$\rho ={\frac {Q}{V}}$

onde $Q$ ye la carga zarrada nel cuerpu y $V$ el volume. Nel SI midir en C/m³ (culombios por metru cúbicu).

Formes pa camudar la carga llétrica de los cuerpos

Artículu principal: Lletrización

Denominar lletrización al efeuto de ganar o perder cargues llétriques, de normal electrones, producíu por un cuerpu llétricamente neutru. Los tipos d'electrificación son los siguientes:

1. Lletrización per contautu: Cuando ponemos un cuerpu cargáu en contautu con un conductor puede dase una tresferencia de carga d'un cuerpu al otru y asina el conductor queda cargáu, positivamente si "dexó electrones" o negativamente si los "ganó".
2. Lletrización per resfregón: Cuando estregamos un aislante con ciertu tipu de materiales, dellos electrones son tresferíos del aislante al otru material o viceversa, de cuenta que cuando se dixebren dambos cuerpos queden con cargues opuestes.
3. Carga per inducción: Si averamos un cuerpu cargáu negativamente a un conductor aislláu, la fuercia de repulsión ente'l cuerpu cargáu y los electrones de valencia na superficie del conductor fai qu'estos se muevan a la parte más alloñada del conductor al cuerpu cargáu, quedando la rexón más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atraición ente'l cuerpu cargáu y esta parte del conductor. Sicasí, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutru).
4. Carga pol Efeutu Fotoeléctricu: Asocede cuando se lliberar electrones na superficie d'un conductor al ser irradiáu por lluz o otra radiación electromagnético.
5. Carga por Electrólisis: Descomposición química d'una sustancia, producida pol pasu d'una corriente llétrica continua.
6. Carga per Efeutu Termoeléctricu: Significa producir lletricidá pola aición del calor.

Ver tamién

• Campu electrostático
• Electroscopiu
• Electromagnetismu
• Xenerador de Van de Graaff
• Interaición electromagnética
• Ley de Coulomb
• Lletricidá
• Magnetismu

Bibliografía

• Landau & Lifshitz, Teoría clásica de los campos, Ed. Reverté, ISBN 84-291-4082-4.
• Segura González, Wenceslao, Teoría de campu relativista, eWT Ediciones, 2014, ISBN 978-84-617-1463-6.

Enllaces esternos

• Wikiversidá contién proyeutos d'aprendizaxe sobre Carga llétrica.
• Wikillibros tien un llibru o manual sobre carga llétrica.

• Datos: Q1111
• Multimedia: Electric charge