| Carga eléctrica | |
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Campo eléctrico de una carga puntual positiva y negativa.
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Simbolos comunes
| Q |
| Unidad SI | culombio |
Otras unidades
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| En unidades base SI | C = A s |
| Extenso ? | sí |
| Conservado ? | sí |
| Dimensión | T I |
| Parte de una serie de artículos sobre |
| Electromagnetismo |
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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 cargas eléctricas; Positivo y negativo (comúnmente transportado por protones y electronesrespectivamente). Al igual que las cargas se repelen y no se atraen. Un objeto con una ausencia de carga neta se conoce comoneutra . El conocimiento temprano de cómo interactúan las sustancias cargadas ahora se llama electrodinámica clásica y aún es preciso para los problemas que no requieren consideración de los efectos 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 es transportada por los electrones , y la carga positiva es transportada por los protones en los núcleos de los átomos . Si hay más electrones que protones en un trozo de materia, tendrá una carga negativa, si hay menos tendrá una carga positiva, y si hay números iguales, será neutral. La carga está cuantizada ; viene en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadascarga elemental , e , alrededor de 1,602 × 10 -19 culombios , [1] , que es la carga más pequeña que puede existir libremente (partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de 13 e , sino que sólo se encuentran en combinación, y siempre Combinar para formar partículas con carga entera). El protón tiene una carga de + e , y el electrón tiene una carga de - e .
Una carga eléctrica tiene un campo eléctrico , y si la carga se está moviendo también genera un campo magnético . La combinación del campo eléctrico y magnético se llama campo electromagnético , y su interacción con las cargas es la fuente de la fuerza electromagnética , que es una de las cuatro fuerzas fundamentalesen la física. El estudio de las interacciones mediadas por fotonesentre partículas cargadas se llama electrodinámica cuántica .
La unidad de carga eléctrica derivada del SI es el coulomb (C) que lleva el nombre del físico francés Charles-Augustin de Coulomb . En ingeniería eléctrica , también es común usar el amperio-hora (Ah); en física y química , es común usar la carga elemental ( e como una unidad). La química también usa la constante de Faraday como la carga en un mol de electrones. El símbolo Q a menudo denota carga.
Descripción general [ editar ]
La carga es la propiedad fundamental de las formas de materia que exhiben atracción electrostática o repulsión en presencia de otra materia. La carga eléctrica es una propiedad característica de muchas partículas subatómicas . Las cargas de partículas independientes son múltiplos enteros de la carga elemental e ; Decimos que la carga eléctrica está cuantizada . Michael Faraday , en sus experimentos de electrólisis , fue el primero en notar la naturaleza discreta de la carga eléctrica. El experimento de la caída 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 cualquiera - 13 o + 23 , pero se cree que siempre se producen en múltiplos de carga integral; nunca se han observado quarks libres.
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 signos diferentes se atraen. La ley de Coulombcuantifica 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 un 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 formada por átomos , y los átomos suelen tener un número igual de protones y electrones , en cuyo caso sus cargas se cancelan, lo que da como resultado 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 entre sí, en cada caso produciendo un ion con una carga neta positiva o negativa.
Durante la formación de objetos macroscópicos, los átomos e iones constituyentes generalmente se combinan para formar estructuras compuestas de compuestos iónicos neutros unidos eléctricamente a átomos neutros. Por lo tanto, los objetos macroscópicos tienden a ser neutros en general, pero los objetos macroscópicos rara vez son perfectamente netos.
A veces, los objetos macroscópicos contienen iones distribuidos por todo el material, rígidamente atados en su lugar, lo que proporciona una carga neta positiva o negativa general al objeto. Además, los objetos macroscópicos hechos de elementos conductores pueden, más o menos fácilmente (dependiendo del elemento) tomar o liberar electrones, y luego mantener una carga neta negativa o positiva por tiempo indefinido. Cuando la carga eléctrica neta de un objeto no es cero e está inmóvil, el fenómeno se conoce como electricidad estática . Esto puede producirse fácilmente frotando dos materiales diferentes, como frotar ámbar con piel o vidrio con seda. De esta manera, los materiales no conductores pueden cargarse en un grado significativo, ya sea de manera positiva o negativa. La carga tomada de un material se mueve al otro material, dejando atrás una carga opuesta de la misma magnitud. La ley de conservación de la carga siempre se aplica, dando al objeto del cual una carga negativa se toma 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 enlazada , mientras que la carga en un objeto producido por electrones ganados o perdidos desde fuera del objeto se llama carga libre . El movimiento de electrones en 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 coulomb (símbolo: C). El coulomb se define como la cantidad de carga que pasa a través de la sección transversal de un conductor eléctrico que lleva un amperiodurante un segundo . [2] Esta unidad se propuso en 1946 y se ratificó en 1948. [2] En la práctica moderna, la frase "monto de cargo" se usa en lugar de "cantidad de cargo". [3] La cantidad de carga en 1 electrón ( carga elemental) es aproximadamente 1.6 × 10 −19 Cy 1 coulomb corresponde a la cantidad de carga para aproximadamente 6.24 × 10 18 electrones . El símbolo Q se usa a menudo para indicar 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 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 trata hoy como sin nombre, denominada carga elemental , unidad de carga fundamental o simplemente como e . Una medida de carga debe ser un múltiplo de la carga elemental e , incluso si a grandes escalas la carga parece comportarse como una cantidad real . En algunos contextos es significativo hablar de fracciones de un cargo; por ejemplo en la carga de un condensador, o en el efecto Hall cuántico fraccional .
La unidad faraday se utiliza a veces en la electroquímica. Un faraday de carga es la magnitud de la carga de un mol de electrones, [4] es decir, 96485.33289 (59) C.
En sistemas de unidades distintas de 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 SI, donde la carga eléctrica es una combinación de longitud, masa, El tiempo y la corriente eléctrica. [5] [6]
Historia [ editar ]
Desde la antigüedad, las personas estaban familiarizadas con cuatro tipos de fenómenos que hoy se explicarían utilizando el concepto de carga eléctrica: (a) rayos , (b) el pez torpedo (o rayo eléctrico), (c) el fuego de San Elmo y (d) que el ámbar frotado con la piel atraería objetos pequeños y livianos. [7] El primer relato del efecto ámbar se atribuye a menudo al antiguo matemático griego Thales of Miletus , que vivió de c. 624 - c. 546 aC, pero hay dudas sobre si Thales dejó algún escrito; [8] su cuenta sobre el ámbar se conoce a partir de una cuenta de principios de los años 200. [9]Esta cuenta se puede tomar como evidencia de que el fenómeno se conoció al menos desde c. 600 AC, pero Thales explicó este fenómeno como evidencia de objetos inanimados que tienen un alma. [9] 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 el tiempo suficiente, incluso podrían obtener una chispa eléctrica para saltar, [ cita requerida ], pero también hay una afirmación de que no se mencionaron chispas eléctricas hasta finales del siglo XVII. [10]Esta propiedad deriva del efecto triboeléctrico . A finales de los años 1100, se observó que el chorro de sustancia , una forma compacta de carbón, tenía un efecto ámbar, [11] y en la mitad de los 1500, Girolamo Fracastoro , descubrió que el diamante también mostraba este efecto. [12] Fracastoro y otros hicieron algunos esfuerzos, especialmente Gerolamo Cardano para desarrollar explicaciones para este fenómeno. [13]
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 fenómenos eléctricos puede marcarse con la publicación de De Magnete por el científico inglés William Gilbert en 1600. [14] En este libro, había una pequeña sección en la que Gilbert retomó el efecto ámbar (como él lo llamó) al abordar muchas de las teorías anteriores, [13] y acuñó la nueva palabra latina electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), la palabra griega para ámbar). La palabra latina fue traducida al inglés como eléctrica . [15] A Gilbert también se le atribuye el término eléctrico , mientras que el término electricidad llegó más tarde, se atribuyó por primera vez a Sir Thomas Browneen su Epidémica Pseudodoxia de 1646. [16] (Para 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 material efluente eléctrico fue influyente en los siglos XVII y XVIII. Fue un precursor de las ideas desarrolladas en el siglo XVIII sobre el "fluido eléctrico" (Dufay, Nollet, Franklin) y la "carga eléctrica". [17]
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. [18] Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle , quien en 1675 publicó el primer libro en inglés que estaba dedicado exclusivamente a los fenómenos eléctricos. [19] Su trabajo fue en gran parte una repetición de los estudios de Gilbert, pero también identificó varios "eléctricos" más, [20] y notó la atracción mutua entre dos cuerpos. [19]
En 1729, Stephen Gray estaba experimentando con electricidad estática , que generó utilizando un tubo de vidrio. Notó que un corcho, usado para proteger el tubo del polvo y la humedad, también se electrificó (cargó). Experimentos adicionales (por ejemplo, extender el corcho al poner palitos finos en él) demostraron, por primera vez, que los efluvios eléctricos (como lo llamaba Gray) podían transmitirse (conducirse) a una distancia. Gray logró transmitir la carga con hilo (765 pies) y cable (865 pies). [21] A través de estos experimentos, Gray descubrió la importancia de diferentes materiales, lo que facilitó u obstaculizó 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. [21] Gray también descubrió la inducción eléctrica (es decir, donde la carga podría transmitirse de un objeto a otro sin contacto físico directo). Por ejemplo, mostró que al acercar un tubo de vidrio cargado, pero sin tocarlo, un bulto de plomo sostenido por un hilo, fue posible electrificar el plomo (por ejemplo, para atraer y repeler las limaduras de latón). [22] Intentó explicar este fenómeno con la idea de efluvios eléctricos. [23]
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 transferirse de un objeto a otro, abrió la posibilidad teórica de que esta propiedad no estaba inseparablemente conectada a los cuerpos que fueron electrificados por frotamiento. [24] En 1733, Charles François de Cisternay du Fay , inspirado en el trabajo de Gray, realizó una serie de experimentos (informados en Mémoires de l ' Académie Royale des Sciences ), que muestran que más o menos todas las sustancias podrían' electrificarse 'por frotamiento, a excepción de los metales y fluidos [25] 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.[26] Cuando el vidrio se frotó con seda , du Fay dijo que el vidrio estaba cargado de electricidad vítrea y, cuando el ámbar se frotaba con piel, el ámbar estaba cargado deelectricidad resinosa . Jean-Antoine Nollet (1745)propuso otra importante teoría de los dos fluidos de esta época. [27] En 1839, Michael Faraday demostró que la división aparente entre electricidad estática , electricidad actual ybioelectricidad era incorrecta, y todo esto era una consecuencia del comportamiento de un solo tipo deelectricidad.Apareciendo en polaridades opuestas . Es arbitrario que polaridad se llama positiva y que 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. [28]
Hasta alrededor de 1745, la principal explicación de la atracción eléctrica y la repulsión era la idea de que los cuerpos electrificados emitían un efluvio. [29] Benjamin Franklin comenzó los experimentos eléctricos a fines de 1746, [30] y para 1750 había desarrollado una teoría de la electricidad de un fluido , basada en un experimento que mostraba que un vidrio frotado recibía la misma resistencia de carga, pero opuesta, que la tela. Se utiliza para frotar el vaso. [30] [31] Franklin imaginó que la electricidad era un tipo de fluido invisible presente en toda la materia; por ejemplo, creía que era el vaso en un frasco de LeydenQue retenía la carga acumulada. Él postuló que frotar las superficies aislantes 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 líquido, estaba cargada negativamente , y cuando tenía un exceso, estaba cargada positivamente . Por una razón que no fue registrada, identificó el término positivo con electricidad vítrea y negativo con electricidad resinosa. William Watson llegó independientemente a la misma explicación casi al mismo tiempo (1746). Después del trabajo de Franklin, las explicaciones basadas en efluvios rara vez se presentaron. [32]
Ahora se sabe que el modelo de Franklin-Watson 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. [33] Por otro lado, solo saber el cargo no es una descripción completa de la situación. La materia se compone de varios tipos de partículas cargadas eléctricamente, y estas partículas tienen muchas propiedades, no solo carga.
El papel de la carga en la electrostática [ editar ]
Todos los cuerpos están electrificados, pero pueden aparecer no electrificados debido a la carga relativamente similar de los objetos vecinos en el medio ambiente. Un objeto más electrificado + o - crea una carga equivalente o opuesta por defecto en los objetos vecinos, hasta que esas cargas puedan igualarse. Los efectos de la atracción se pueden observar en experimentos de alto voltaje, mientras que los efectos de menor voltaje son simplemente más débiles y, por lo tanto, menos obvios. La ley de Coulomb tiene un corolario para la aceleración en un campo gravitatorio. Ver también el efecto Casimir .
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.
La electrificación por fricción [ editar ]
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Cuando una pieza de vidrio y una pieza de resina, ninguna de las cuales presentan propiedades eléctricas, se frotan entre sí y se dejan en contacto con las superficies frotadas, aún no presentan propiedades eléctricas. Cuando se separan, se atraen entre sí.
Una segunda pieza de vidrio frotada con una segunda pieza de resina, luego se separó y suspendió cerca de las piezas de vidrio y la resina causó estos fenómenos:
- Las dos piezas de vidrio se repelen entre sí.
- Cada pieza de vidrio atrae a cada pieza de resina.
- Las dos piezas de resina se repelen entre sí.
Esta atracción y repulsión es un fenómeno eléctrico , y se dice que los cuerpos que los exhiben están electrificados o cargados eléctricamente . Los cuerpos pueden ser electrificados de muchas otras maneras, así como también 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 la resina repele y repele lo que la resina atrae.
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 vívidamente electrificado, y si atrae el vidrio y repele la resina, se dice que Ser resinoso 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 nuestra indicación mediante signos opuestos, pero la aplicación del signo positivo a uno en lugar de al otro tipo debe considerarse como una cuestión de convención arbitraria, tal como es una cuestión de Convención en diagrama matemático para calcular distancias positivas hacia la mano derecha.
Ninguna fuerza, ya sea de atracción o de repulsión, puede observarse entre un cuerpo electrificado y un cuerpo no electrificado. [34]
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 ni ganancia neta de carga eléctrica. Los portadores de carga más comunes son el protón cargado positivamente y el electróncargado negativamente . El movimiento de cualquiera de estas partículas cargadas constituye una corriente eléctrica. En muchas situaciones, es suficiente 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 observa 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 tanto partículas positivas como negativas ( 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.
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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 se puede derivar de una forma local a partir de la invariabilidad de la función de onda . La conservación de la carga da como resultado la ecuación de continuidad de lacorriente de carga . Más generalmente, la tasa de cambio en la densidad de carga ρ dentro de un volumen de integración V es igual a la integral de área 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 :
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 de salida neta a través de una superficie cerrada y Qes la carga eléctrica contenida dentro del volumen definido por la superficie.
Invariancia relativista [ editar ]
Aparte de las propiedades descritas en artículos sobre electromagnetismo , la carga es un invariante relativista . Esto significa que cualquier partícula que tiene una carga Q , no importa lo rápido que va, siempre tiene una carga Q . Esta propiedad se ha verificado experimentalmente al mostrar que la carga de un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo y moviéndose a altas velocidades) es igual a 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).
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