La carga eléctrica (símbolo q , a veces Q ) es la propiedad física de la materia que hace que ésta experimente una fuerza cuando se la coloca en un campo electromagnético . La carga eléctrica puede ser positiva o negativa . Las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen. Un objeto sin carga neta se denomina eléctricamente neutro . Los primeros conocimientos sobre cómo interactúan las sustancias cargadas se denominan ahora electrodinámica clásica y siguen siendo precisos para problemas que no requieren consideración de 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 la llevan los electrones y la carga positiva la llevan los protones en los núcleos de los átomos . Si hay más electrones que protones en un trozo de materia tendrá carga negativa, si hay menos tendrá carga positiva y si hay iguales números será neutra. La carga está cuantificada ; viene en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadas carga elemental , e , aproximadamente1,602 × 10 −19 C , [1] que es la carga más pequeña que puede existir libremente. Las partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de1/3e , pero sólo se encuentran combinados en partículas que tienen una carga que es un múltiplo entero de e . En el Modelo Estándar , la carga es un número cuántico absolutamente conservado. El protón tiene una carga de + e y el electrón tiene una carga de - e .
Las cargas eléctricas producen campos eléctricos . [2] Una carga en movimiento también produce un campo magnético . [3] La interacción de cargas eléctricas con un campo electromagnético (una combinación de un campo eléctrico y uno magnético) es la fuente de la fuerza electromagnética (o de Lorentz) , [4] que es una de las cuatro interacciones fundamentales en física . El estudio de las interacciones mediadas por fotones entre partículas cargadas se llama electrodinámica cuántica . [5]
La unidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (C), que lleva el nombre del físico francés Charles-Augustin de Coulomb . En ingeniería eléctrica también es común utilizar el amperio-hora (A⋅h). En física y química es común utilizar la carga elemental ( e ) como unidad. La química también utiliza la constante de Faraday , que es la carga de un mol de cargas elementales.
La carga es la propiedad fundamental de la materia que exhibe atracción o repulsión electrostática en presencia de otra materia con carga. La carga eléctrica es una propiedad característica de muchas partículas subatómicas . Las cargas de las partículas independientes son múltiplos enteros de la carga elemental e ; decimos que la carga eléctrica está cuantificada . Michael Faraday , en sus experimentos de electrólisis , fue el primero en notar la naturaleza discreta de la carga eléctrica. El experimento de la gota 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:1/3o +2/3, pero se cree que siempre ocurren en múltiplos de carga integral; Nunca se han observado quarks independientes.
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, y las partículas cuyas cargas tienen diferentes signos se atraen. La ley de Coulomb cuantifica la fuerza electrostática entre dos partículas afirmando que la fuerza es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. La carga de una 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 el mismo número de protones y electrones , en cuyo caso sus cargas se cancelan, produciendo una carga neta de cero, lo que hace que el átomo sea neutro.
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, produciendo en cada caso un ión 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 neutrales en general, pero los objetos macroscópicos rara vez son perfectamente neutrales en términos netos.
A veces, los objetos macroscópicos contienen iones distribuidos por todo el material, rígidamente unidos en su lugar, dando una carga neta positiva o negativa al objeto. Además, los objetos macroscópicos hechos de elementos conductores pueden más o menos fácilmente (dependiendo del elemento) tomar o desprender electrones y luego mantener una carga neta negativa o positiva indefinidamente. Cuando la carga eléctrica neta de un objeto es distinta de cero y está inmóvil, el fenómeno se conoce como electricidad estática . Esto se puede producir fácilmente frotando dos materiales diferentes, como frotando ámbar con piel o vidrio con seda . De esta manera, los materiales no conductores pueden cargarse en gran medida, ya sea positiva o negativamente. La carga tomada de un material se mueve al otro material, dejando atrás una carga opuesta de la misma magnitud. Siempre se aplica la ley de conservación de la carga , dando al objeto del que se toma una carga negativa una carga positiva de la misma magnitud, y viceversa.
Incluso cuando la carga neta de un objeto es cero, la carga puede distribuirse 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 ligada , mientras que la carga de un objeto producida por electrones ganados o perdidos desde el exterior del objeto se llama carga libre . El movimiento de los electrones en metales conductores en una dirección específica se conoce como corriente eléctrica .
La unidad SI de cantidad de carga eléctrica es el culombio (símbolo: C). El culombio se define como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico que transporta un amperio durante un segundo . [6] Esta unidad fue propuesta en 1946 y ratificada en 1948. [6] El símbolo q minúscula se utiliza a menudo para indicar una cantidad de carga eléctrica. La cantidad de carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro o indirectamente con un galvanómetro balístico .
La carga elemental (la carga eléctrica del protón) se define como una constante fundamental en el SI. [7] El valor de la carga elemental, cuando se expresa en unidades SI, es exactamente1,602 176 634 × 10 −19 C . [1]
Después de descubrir el carácter cuantificado de la carga, en 1891 George Stoney propuso la unidad "electrón" para esta unidad fundamental de carga eléctrica. Posteriormente , JJ Thomson descubrió la partícula que ahora llamamos electrón en 1897. Hoy en día, la unidad se conoce como carga elemental , unidad fundamental de carga , o simplemente se denota e , siendo la carga de un electrón -e . La carga de un sistema aislado debería ser un múltiplo de la carga elemental e , incluso si a grandes escalas la carga parece comportarse como una cantidad continua. En algunos contextos tiene sentido hablar de fracciones de una carga elemental; por ejemplo, en el efecto Hall cuántico fraccionario .
La unidad Faraday se utiliza a veces en electroquímica. Un faraday es la magnitud de la carga de un mol de cargas elementales, [8] es decir9,648 533 212 ... × 10 4 C.
Desde la antigüedad se conocían cuatro tipos de fenómenos que hoy se explicarían todos mediante el concepto de carga eléctrica: (a) el rayo , (b) el pez torpedo (o rayo eléctrico), (c) el Fuego de San Telmo , y (d) que el ámbar frotado con pelo atraería objetos pequeños y ligeros. [9] El primer relato del efecto ámbar a menudo se atribuye al antiguo matemático griego Tales de Mileto , que vivió desde c. 624 al c. 546 a. C., pero existen dudas sobre si Tales dejó algún escrito; [10] su relato sobre el ámbar se conoce a partir de un relato de principios del siglo XX. [11] Este relato puede tomarse como evidencia de que el fenómeno se conocía desde al menos c. 600 a. C., pero Tales explicó este fenómeno como evidencia de que los objetos inanimados tenían alma. [11] En otras palabras, no había indicios de ninguna concepción de carga eléctrica. En términos más generales, los antiguos griegos no entendían las conexiones entre estos cuatro tipos de fenómenos. Los griegos observaron que los botones de ámbar cargados podían atraer objetos ligeros como el pelo . También descubrieron que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso podían hacer saltar una chispa eléctrica , [ cita necesaria ] pero también se afirma que no apareció ninguna mención de chispas eléctricas hasta finales del siglo XVII. [12] Esta propiedad se deriva del efecto triboeléctrico . A finales del siglo XVI, se observó que la sustancia azabache , una forma compacta de carbón, tenía un efecto ámbar, [13] y a mediados del siglo XVI, Girolamo Fracastoro , descubrió que el diamante también mostraba este efecto. [14] Fracastoro y otros, especialmente Gerolamo Cardano, hicieron algunos esfuerzos para desarrollar explicaciones para este fenómeno. [15]
A diferencia de 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 los fenómenos eléctricos se puede marcar con la publicación de De Magnete por el científico inglés William Gilbert en 1600. [16] En este libro, había una pequeña sección donde Gilbert volvió al efecto ámbar (como él lo llamó) al abordar muchas de las teorías anteriores, [15] y acuñó la palabra neolatina electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), el griego palabra para ámbar ). La palabra latina fue traducida al inglés como electrics . [17] A Gilbert también se le atribuye el término eléctrico , mientras que el término electricidad llegó más tarde, atribuido por primera vez a Sir Thomas Browne en su Pseudodoxia Epidemica de 1646. [18] (Para más detalles lingüísticos, consulte Etimología de la electricidad ). Gilbert planteó la hipótesis de que esto El efecto ámbar podría explicarse por un efluvio (un pequeño chorro de partículas que fluye del objeto eléctrico, sin disminuir su volumen o peso) que actúa sobre otros objetos. Esta idea de un efluvio eléctrico material 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". [19]
Alrededor de 1663, Otto von Guericke inventó el que probablemente fue el primer generador electrostático , pero no lo reconoció principalmente como un dispositivo eléctrico y solo realizó mínimos experimentos eléctricos con él. [20] Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle , quien en 1675 publicó el primer libro en inglés dedicado únicamente a los fenómenos eléctricos. [21] Su trabajo fue en gran medida una repetición de los estudios de Gilbert, pero también identificó varias "electricidades" más, [22] y notó la atracción mutua entre dos cuerpos. [21]
En 1729, Stephen Gray estaba experimentando con electricidad estática , que generaba utilizando un tubo de vidrio. Se dio cuenta de que un corcho, utilizado para proteger el tubo del polvo y la humedad, también se electrificaba (cargaba). Experimentos posteriores (por ejemplo, extender el corcho introduciéndole palos finos) demostraron, por primera vez, que los efluvios eléctricos (como los llamó Gray) podían transmitirse (conducirse) a distancia. Gray logró transmitir carga con cordel (765 pies) y alambre (865 pies). [23] A través de estos experimentos, Gray descubrió la importancia de diferentes materiales, que facilitaban o dificultaban la conducción de efluvios eléctricos. A John Theophilus Desaguliers , que 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. [23] Gray también descubrió la inducción eléctrica (es decir, donde la carga podía transmitirse de un objeto a otro sin ningún contacto físico directo). Por ejemplo, demostró que acercando un tubo de vidrio cargado a un trozo de plomo sostenido por un hilo, pero sin tocarlo, era posible electrificar el plomo (por ejemplo, para atraer y repeler limaduras de latón). [24] Intentó explicar este fenómeno con la idea de efluvios eléctricos. [25]
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 estuviera inseparablemente ligada a los cuerpos que se electrificaban mediante el roce. [26] En 1733, Charles François de Cisternay du Fay , inspirado por el trabajo de Gray, realizó una serie de experimentos (reportados en Mémoires de l' Académie Royale des Sciences ), demostrando que más o menos todas las sustancias podían "electrificarse" frotando, excepto metales y fluidos [27] y propuso que la electricidad se presenta en dos variedades que se anulan entre sí, lo que expresó en términos de una teoría de dos fluidos. [28] Cuando se frotaba vidrio con seda , du Fay dijo que el vidrio se cargaba con electricidad vítrea y, cuando se frotaba ámbar con piel, el ámbar se cargaba con electricidad resinosa . En la comprensión contemporánea, la carga positiva ahora se define como la carga de una varilla de vidrio después de haber sido frotada con un paño de seda, pero es arbitrario qué tipo de carga se llama positiva y cuál se llama negativa. [29] Otra importante teoría de los dos fluidos de esta época fue propuesta por Jean-Antoine Nollet (1745). [30]
Hasta aproximadamente 1745, la principal explicación de la atracción y repulsión eléctrica era la idea de que los cuerpos electrizados emitían efluvio. [31] Benjamin Franklin inició experimentos eléctricos a finales de 1746, [32] y en 1750 había desarrollado una teoría de la electricidad de un solo fluido , basada en un experimento que demostró que un vidrio frotado recibía la misma fuerza de carga, pero opuesta, que la tela. Se utiliza para frotar el vidrio. [32] [33] Franklin imaginó la electricidad como un tipo de fluido invisible presente en toda la materia y acuñó el término carga en sí (así como batería y algunos otros [34] ); por ejemplo, creía que era el vaso de un frasco de Leyden el que contenía la carga acumulada. Postuló que el roce de superficies aislantes hacía que este fluido cambiara de ubicación y que un flujo de este fluido constituye una corriente eléctrica. También postuló que cuando la materia contenía un exceso de fluido estaba cargada positivamente y cuando tenía un déficit estaba cargada negativamente . Identificó el término positivo con la electricidad vítrea y negativo con la electricidad resinosa después de realizar un experimento con un tubo de vidrio que le había regalado su colega extranjero Peter Collinson. En el experimento, el participante A cargó el tubo de vidrio y el participante B recibió una descarga en el nudillo del tubo cargado. Franklin identificó que el participante B tenía carga positiva después de haber sido electrocutado por el tubo. [35] Existe cierta ambigüedad sobre si William Watson llegó de forma independiente a la misma explicación fluida aproximadamente al mismo tiempo (1747). Watson, después de ver la carta de Franklin a Collinson, afirma que había presentado la misma explicación que Franklin en la primavera de 1747. [36] Franklin había estudiado algunas de las obras de Watson antes de realizar sus propios experimentos y análisis, lo que probablemente fue significativo para la propia teorización de Franklin. . [37] Un físico sugiere que Watson propuso por primera vez una teoría de un solo fluido, que Franklin luego elaboró más y de manera más influyente. [38] Un historiador de la ciencia sostiene que Watson pasó por alto una diferencia sutil entre sus ideas y las de Franklin, por lo que Watson malinterpretó sus ideas como similares a las de Franklin. [39] En cualquier caso, no hubo animosidad entre Watson y Franklin, y el modelo de acción eléctrica de Franklin, formulado a principios de 1747, finalmente fue ampliamente aceptado en ese momento. [37] Después del trabajo de Franklin, rara vez se ofrecieron explicaciones basadas en efluvios.[40]
Ahora se sabe que el modelo de Franklin era fundamentalmente correcto. Sólo hay un tipo de carga eléctrica y sólo se requiere una variable para realizar un seguimiento de la cantidad de carga. [41]
Hasta 1800 sólo era posible estudiar la conducción de carga eléctrica mediante una descarga electrostática. En 1800, Alessandro Volta fue el primero en demostrar que se podía mantener una carga en movimiento continuo a través de un camino cerrado. [42]
En 1833, Michael Faraday intentó disipar cualquier duda de que la electricidad es idéntica, independientemente de la fuente que la produzca. [43] Discutió una variedad de formas conocidas, que caracterizó como electricidad común (p. ej., electricidad estática , piezoelectricidad , inducción magnética ), electricidad voltaica (p. ej., corriente eléctrica de una pila voltaica ) y electricidad animal (p. ej., bioelectricidad ) . .
En 1838, Faraday planteó la cuestión de si la electricidad era un fluido o fluidos o una propiedad de la materia, como la gravedad. Investigó si a la materia se le podía imputar un tipo de cargo independientemente del otro. [44] Llegó a la conclusión de que la carga eléctrica era una relación entre dos o más cuerpos, porque no podía cargar un cuerpo sin tener una carga opuesta en otro cuerpo. [45]
En 1838, Faraday también propuso una explicación teórica de la fuerza eléctrica, expresando neutralidad sobre si se origina a partir de uno, dos o ningún fluido. [46] Se centró en la idea de que el estado normal de las partículas es no polarizarse y que, cuando se polarizan, intentan volver a su estado natural no polarizado.
Al desarrollar un enfoque de la electrodinámica desde la teoría de campos (a partir de mediados de la década de 1850), James Clerk Maxwell deja de considerar la carga eléctrica como una sustancia especial que se acumula en los objetos y comienza a entender la carga eléctrica como una consecuencia de la transformación de la energía en el campo. . [47] Esta comprensión precuántica consideraba que la magnitud de la carga eléctrica era una cantidad continua, incluso a nivel microscópico. [47]
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.
Cuando un trozo de vidrio y un trozo de resina (ninguno de los cuales exhibe propiedades eléctricas) se frotan entre sí y se dejan con las superficies frotadas en contacto, todavía no exhiben propiedades eléctricas. Cuando se separan, se atraen.
Un segundo trozo de vidrio frotado con un segundo trozo de resina, luego separado y suspendido cerca de los anteriores trozos de vidrio y resina provoca estos fenómenos:
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 electrificarse de muchas otras maneras, además de deslizándose. 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 electrificado vítreamente , y si atrae el vidrio y repele la resina se dice que está electrificado vítreamente. ser electrificado resinosamente . Todos los cuerpos electrificados lo están 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 que las indiquemos con signos opuestos, pero la aplicación del signo positivo a uno y no al otro debe considerarse como una cuestión de convención arbitraria, del mismo modo que es una cuestión de convención en diagrama matemático para calcular distancias positivas hacia la mano derecha. [48]
La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica a través de un objeto. Los portadores de carga más comunes son el protón con carga positiva y el electrón con carga negativa . El movimiento de cualquiera de estas partículas cargadas constituye una corriente eléctrica. En muchas situaciones, basta hablar de 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 mira la situación microscópica, ve que hay muchas formas de transportar una corriente eléctrica , entre ellas: un flujo de electrones; un flujo de huecos 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 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.
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 puede derivarse de forma local a partir de la invariancia de calibre de la función de onda . La conservación de la carga da como resultado la ecuación de continuidad de la corriente de carga . De manera más general, 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 neta de salida a través de una superficie cerrada y q es la carga eléctrica contenida dentro del volumen definido por la superficie.
Aparte de las propiedades descritas en artículos sobre electromagnetismo , la carga es una invariante relativista . Esto significa que cualquier partícula que tenga carga q tiene la misma carga independientemente de qué tan rápido viaje. Esta propiedad se ha verificado experimentalmente demostrando que la carga de un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo y moviéndose a altas velocidades) es la misma que la de 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). [49] [50] [51]
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Medios relacionados con la carga eléctrica en Wikimedia Commons
