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Carga eléctrica

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Carga eléctrica es una propiedad fundamental y conservada de algunas partículas subatómicas, como los electrones y los protones. Hay dos tipos opuestos de carga eléctrica, conocidos como positivo y negativo. La carga en un electrón es, por convención, -1, y la de un protón es +1. Un par de partículas con carga opuesta se atraen entre sí y, por el contrario, un par de partículas con el mismo tipo de carga se repelen entre sí.

Un átomo es eléctricamente neutro (es decir, su carga eléctrica neta es cero) porque el número de protones dentro de su núcleo es igual al número de electrones que lo rodean. Si un átomo gana un electrón extra, adquiere una carga de -1; Si pierde un electrón, adquiere una carga de +1. Un átomo cargado eléctricamente (o grupo de átomos) se llama ion. Por lo tanto, la comprensión de la carga eléctrica ayuda a aclarar el comportamiento de los átomos, moléculas, iones y partículas subatómicas.

Además, la materia cargada eléctricamente está influenciada por, y produce, campos electromagnéticos. La interacción entre una carga en movimiento y un campo electromagnético es la fuente de la fuerza electromagnética (o interacción electromagnética), que es una de las cuatro fuerzas fundamentales.

Visión general

La carga eléctrica es una característica de algunas partículas subatómicas. Se cuantifica en eso, cuando se expresa en unidades de la llamada carga elemental mi (que es la carga en un solo electrón o un solo protón), toma valores enteros o fraccionarios. Como se mencionó anteriormente, se dice que un electrón tiene una carga de -1, mientras que un protón tiene la carga opuesta de +1. Los Quarks tienen una carga fraccional de -13 o +23. Los equivalentes antipartículas de estos (positrones, antiprotones y antiquarks, respectivamente) tienen la carga opuesta. Hay otras partículas cargadas. Michael Faraday propuso la naturaleza discreta de la carga eléctrica en sus experimentos de electrólisis, y luego Robert Millikan lo demostró directamente en su experimento de caída de aceite.

En general, las partículas cargadas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las partículas cargadas de signo diferente se atraen. Esto se expresa cuantitativamente en la ley de Coulomb, que establece que la magnitud de la fuerza electrostática repelente entre dos partículas es proporcional al producto de sus cargas y al cuadrado inverso de la distancia entre ellas.

La carga eléctrica de un objeto macroscópico es la suma de las cargas eléctricas de sus partículas constituyentes. A menudo, la carga eléctrica neta es cero, porque es favorable que la cantidad de electrones en cada átomo sea igual a la cantidad de protones (o, más generalmente, la cantidad de aniones, o átomos cargados negativamente, en cada molécula sea igual a número de cationes, o átomos cargados positivamente). Cuando la carga eléctrica neta es distinta de cero e inmóvil, uno tiene el fenómeno conocido como electricidad estática. Incluso cuando la carga neta es cero, se puede distribuir de manera no uniforme (por ejemplo, debido a un campo eléctrico externo o debido a un movimiento molecular), en cuyo caso se dice que el material está polarizado. La carga debida a la polarización se conoce como carga ligada, mientras que el exceso de carga traído del exterior se llama libre de cargos. El movimiento de partículas cargadas (por ejemplo, de electrones en metales) en una dirección particular se conoce como corriente eléctrica.

Unidades

La unidad SI de cantidad de carga eléctrica es el coulomb, que equivale a aproximadamente 6.25 × 1018 e (la carga en un solo electrón o protón). Por lo tanto, la carga de un electrón es aproximadamente −1.602 x 10−19 C. El culombio se define como la cantidad de carga que ha pasado a través de la sección transversal de un conductor eléctrico que transporta un amperio en un segundo. El símbolo Q a menudo se usa para denotar una cantidad de electricidad o carga. La cantidad de carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro, o indirectamente con un galvanómetro balístico.

Después de encontrar el carácter cuantificado de la carga, en 1891 Stoney propuso la unidad 'electrón' para esta unidad fundamental de carga eléctrica. Esto fue antes del descubrimiento de la partícula por J.J. Thomson en 1897. Hoy en día, el nombre "electrón" para la unidad de carga ya no se usa ampliamente, excepto en la unidad derivada "electronvolt". Esto es bastante sorprendente teniendo en cuenta el amplio uso de esta unidad en los campos de la física y la química. La unidad se trata hoy como sin nombre, denominada "unidad fundamental de carga" o simplemente como "e".

Formalmente, una medida de carga debe ser un múltiplo de la carga elemental mi (la carga se cuantifica), pero como es una cantidad macroscópica promedio, muchos órdenes de magnitud mayor que una sola carga elemental, puede asumir cualquier valor real. Además, en algunos contextos es significativo hablar de fracciones de una carga; p.ej. en la carga de un condensador.

Historia

El equilibrio de torsión de Coulomb.

Según lo informado por el filósofo griego antiguo Tales de Mileto alrededor de 600 a.E.C., acusado (o electricidad) podría acumularse frotando la piel con diversas sustancias, como el ámbar. Los griegos notaron que los botones ámbar cargados podrían atraer objetos ligeros como el cabello. También notaron que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso podrían obtener una chispa para saltar. Esta propiedad deriva del efecto triboeléctrico.

En 1600, el científico inglés William Gilbert volvió al tema en De Magnete, y acuñó la nueva palabra latina electricus del término griego ηλεκτρον (elektron), que significa "ámbar". Esta terminología pronto condujo a las palabras inglesas "eléctrico" y "electricidad". El trabajo de Gilbert fue seguido en 1660 por Otto von Guericke, quien inventó lo que probablemente fue el primer generador electrostático.

Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle, Stephen Gray y C. F. DuFay. En 1675, Boyle declaró que la atracción eléctrica y la repulsión pueden actuar a través del vacío. En 1729, Gray clasificó los materiales como conductores y aislantes. En 1733, DuFay propuso que la electricidad venía en dos variedades que se cancelaban entre sí y expresó esto en términos de una teoría de dos fluidos.1 DuFay dijo que cuando el vidrio se frotaba con seda, el vidrio se cargaba con electricidad vítrea, y cuando el ámbar se frotó con piel, el ámbar fue acusado de electricidad resinosa.

En 1839, Michael Faraday demostró que la división aparente entre electricidad estática, electricidad actual y bioelectricidad era incorrecta, y que todo era consecuencia del comportamiento de un solo tipo de electricidad que aparecía en polaridades opuestas. Es arbitraria qué polaridad se llama positiva y cuál se llama negativa. La carga positiva se puede definir como la carga que queda en una varilla de vidrio después de ser frotada con seda.2

Uno de los principales expertos en electricidad en el siglo XVIII fue Benjamin Franklin, quien argumentó a favor de una teoría de la electricidad de un solo fluido. 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 Leyden el que contenía la carga acumulada. Él postuló que frotar superficies aislantes juntas causó que este fluido cambiara de ubicación, y que un flujo de este fluido constituye una corriente eléctrica. También postuló que cuando la materia contenía muy poco del fluido se cargaba "negativamente", y cuando tenía un exceso se cargaba "positivamente". Arbitrariamente (o por una razón que no se registró), identificó el término "positivo" con electricidad vítrea y "negativo" con electricidad resinosa. William Watson llegó a la misma explicación aproximadamente al mismo tiempo.

Electrificación por fricción

El siguiente experimento demuestra la electrificación por fricción.

Tome un trozo de vidrio y un trozo de resina que no presenten propiedades eléctricas. Si se frotan entre sí y las superficies frotadas se mantienen en contacto entre sí, aún no exhibirán propiedades eléctricas. Sin embargo, si están separados, se atraerán entre sí.

Frota una segunda pieza de vidrio contra una segunda pieza de resina y sepáralas. Si estas dos piezas están suspendidas cerca de las dos primeras piezas de vidrio y resina, se puede observar que:

  1. las dos piezas de vidrio se repelen entre sí;
  2. las dos piezas de resina se repelen entre sí; y
  3. cada pieza de vidrio atrae a cada pieza de resina.

Estas propiedades de atracción y repulsión se llaman fenómenos eléctricos, y se dice que los cuerpos que los exhiben están 'electrificados' o 'cargados de electricidad'. Los cuerpos pueden estar electrificados de muchas otras maneras, 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.

Siguiendo la terminología de DuFay (mencionada anteriormente), si un cuerpo electrificado se comporta como el vidrio, (es decir, 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 está "resinosamente" electrificado. Se encuentra que todos los cuerpos electrificados están vítreos o resinosamente electrificados. Por convención, la electrificación vítrea se llama positiva y la electrificación resinosa, negativa. No se puede observar ninguna fuerza, ya sea de atracción o repulsión, entre un cuerpo electrificado y un cuerpo no electrificado.3

Ahora sabemos que solo hay un tipo de carga eléctrica, y solo se requiere una variable para realizar un seguimiento de la cantidad de carga.4 Sin embargo, solo saber la carga de una partícula no es una descripción completa de la situación. La materia está compuesta de varios tipos de partículas cargadas eléctricamente, y estas partículas tienen muchas propiedades, no solo carga.

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, es suficiente hablar de tendencia convencional independientemente de si es transportado por cargas positivas que se mueven en la dirección de la corriente convencional y / 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 "agujeros" 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 plasma).

Cabe señalar que cuando la corriente eléctrica es transportada por un cable metálico, la dirección de la corriente convencional es opuesta al flujo de los portadores de carga reales, es decir, los electrones.

Propiedades

Además de las propiedades descritas en los artículos sobre electromagnetismo, la carga es una invariante relativista. Esto significa que cualquier partícula que tenga carga Q, no importa lo rápido que vaya, siempre tiene carga Q. Esta propiedad ha sido verificada experimentalmente al demostrar que el cargo de uno El núcleo de helio (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo) que se mueven a altas velocidades es el mismo que el de dos núcleos de deuterio (un protón y un neutrón unidos) que se mueven mucho más lentamente.

Conservación de carga

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. La conservación de la carga da como resultado la ecuación de continuidad de carga-corriente. Más generalmente, el cambio neto en la densidad de carga dentro de un volumen de integración es igual al área integral sobre la densidad de corriente en la superficie del área , que a su vez es igual a la corriente neta :

Por lo tanto, la conservación de la carga eléctrica, expresada por la ecuación de continuidad, da el resultado:

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

dónde yo es la corriente neta hacia el exterior a través de una superficie cerrada y Q es la carga eléctrica contenida dentro del volumen definido por la superficie.

Ver también

  • Corriente
  • Electricidad
  • Electrón
  • Partícula elemental
  • Protón

Notas

  1. ↑ C.F. DuFay, dos tipos de fluido eléctrico: vítreo y resinoso. Museo de la chispa. Consultado el 24 de enero de 2009.
  2. ^ Wangsness, Roald K. 1986. Campos electromagnéticos2da ed. Nueva York: Wiley. ISBN 0471811866.
  3. ↑ James Clark Maxwell, 1891 (1954) Un tratado sobre electricidad y magnetismo3ra ed. Nueva York: Dover Publications Inc. ASIN: B000HFDK0K. 32-33.
  4. ^ John Denker, un tipo de carga. Consultado el 24 de enero de 2009.

Referencias

  • Gibilisco, Stan. 2005 Electricidad desmitificada. Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 0071439250
  • Wangsness, Roald K. 1986. Campos electromagnéticos2da ed. Nueva York: Wiley. ISBN 0471811866
  • Young, Hugh D. y Roger A. Freedman. 2003. Física para científicos e ingenieros, 11a edición. San Francisco: Pearson. ISBN 080538684X

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 18 de septiembre de 2017.

  • Carga eléctrica - Science aid.co.uk. (Página fácil de entender sobre carga electrostática).

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