Carga
eléctrica
En física, la carga eléctrica es
una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las
interacciones
electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos
electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La
interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones
fundamentales: la interacción
electromagnética. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga
eléctrica es una medida de la capacidad de la partícula para intercambiar fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que se
conserva, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado se
conserva. Es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas presente
en cierto instante no varía. Qi=Qf
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por
razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido
observar libres en la naturaleza.1
Unidades
En el Sistema
Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica
se denomina culombio (símbolo C). Se define como
la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor
eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio, y se corresponde con la
carga de 6,241 509 ×
electrones aproximadamente.2
Historia
Desde la Antigua Grecia se conoce
que al frotar ámbar con una piel, ésta adquiere
la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y plumas pequeñas. Su descubrimiento se le atribuye al filósofo griego Tales de Mileto (ca.
639-547 a.C.), quién vivió hace unos 2500 años.3
El médico inglés William Gilbert (1540-1603) observó que algunos
materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que
ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como
el nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a
utilizar el término eléctrico para
referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó los
términos electricidad y carga
eléctrica. Además, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la
diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.3
El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al
conectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero
en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue
Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los
cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había
más atracción; por eso los denominó (+) y (-).3
Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo
XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los
experimentos sobre la electrólisis que realizó
Michael Faraday, hacia
1833, y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos
electromagnéticos por James Clerk Maxwell.
Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su
carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.3
Naturaleza de la carga
La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta en dos tipos. Éstas llevan ahora el nombre con las que Benjamin Franklin las
denominó: cargas positivas y negativas.4 Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son
diferentes se atraen. Con el advenimiento de la teoría cuántica relativista, se
pudo demostrar formalmente que las partículas, además de presentar carga
eléctrica (sea nula o no), presentan un momento magnético intrínseco,
denominado espín, que surge como consecuencia
de aplicar la teoría de la relatividad especial a la mecánica cuántica.
Carga eléctrica elemental
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga
eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad
más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10-19 culombios y
es conocida como carga elemental.5 El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q
o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en
defecto.6
En el Sistema
Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica
se denomina culombio (símbolo C) y se define como la
cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de
carga igual, la fuerza de 9×109 N.
Un culombio corresponde a 6,241 509 ×
electrones.2 El valor de la carga del electrón fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews
Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con la última lista de constantes del CODATA publicada es:5
Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser
demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:
1
miliculombio =
1
microculombio =
Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya unidad
de carga eléctrica es el Franklin (Fr). El valor de la carga elemental es entonces de aproximadamente
4,803×10–10 Fr.
Propiedades de las cargas
Principio de conservación de
la carga
En concordancia con los resultados experimentales, el principio de
conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta
de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga
total de un sistema aislado se
conserva.
En un proceso de electrización, el número
total de protones y electrones no se altera, sólo existe una separación de las
cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga
eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas
eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga
total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local,
ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.4
Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está asociada a una simetría del
lagrangiano, llamada en
física cuántica invariancia gauge. Así por el teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano asociada a un grupo uniparamétrico de
transformaciones que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una
magnitud conservada.7 La conservación de la carga implica, al igual que la conservación de la
masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuación de
continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga
eléctrica con la divergencia del vector densidad de
corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el
cambio neto en la densidad de carga
dentro de un volumen prefijado
es igual a la integral de la densidad de corriente
eléctrica
sobre la superficie
que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica
:
Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor
fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que
exista físicamente, puede escribirse como
siendo N un número entero, positivo o negativo.
Por convención se representa a la carga del electrón como -e,
para el protón +e y para el neutrón, 0. La física de partículas
postula que la carga de los quarks, partículas que componen a
protones y neutrones toman valores fraccionarios de esta carga elemental. Sin
embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en
conjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.8
Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de porqué la
carga es una magnitud cuantizada, que sólo puede aparecer en múltiplos de la
carga elemental, se han propuestos diversas ideas:
- Paul Dirac mostró
que si existe un monopolo
magnético la carga eléctrica debe
estar cuantizada.
- En el contexto de la teoría de
Kaluza-Klein, Oskar Klein
encontró que si se interpretaba el campo electromagnético como un efecto
secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topología
La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya que el modelo estándar no aclara porqué las
cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y sólo pueden ser libres cargas que
son múltiplos enteros de la carga elemental.
Invariante relativista
Otra propiedad de la carga eléctrica es que, así como la masa es un invariante relativista, la carga eléctrica también lo es. Eso quiere decir que todos los observadores, sin importar su estado de movimiento y su velocidad, podrán siempre medir la misma
cantidad de carga.6 Así, a diferencia del espacio, el tiempo, la energía o el momento lineal, cuando un
cuerpo o partícula se mueve a velocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variará. El valor de la carga no varía de
acuerdo a cuán rápido se mueva el cuerpo que la posea.
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