La carga eléctrica (símbolo q , a veces Q ) es la propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético . La carga eléctrica puede ser positiva o negativa . Las cargas iguales se repelen entre sí y las cargas diferentes se atraen entre sí . Un objeto sin carga neta se denomina eléctricamente neutro . El conocimiento temprano sobre cómo interactúan las sustancias cargadas ahora se llama electrodinámica clásica , y todavía es preciso para problemas que no requieren la consideración de efectos cuánticos .
La carga eléctrica es una propiedad que se conserva : 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 electrones, y la carga positiva es transportada por 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 llamadas carga elemental , e , aproximadamente.1,602 × 10 −19 C , [1] que es la carga más pequeña que puede existir libremente. Las partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de 1/3 e , pero solo 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 .
En la actualidad, se define como carga negativa la carga que lleva un electrón y como carga positiva la que lleva un protón . Antes de que se descubrieran estas partículas, Benjamin Franklin definía como carga positiva la que adquiere una varilla de vidrio al frotarla con un paño de seda.
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 un campo 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 denomina electrodinámica cuántica . [5]
La unidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (C), que recibe su 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 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 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 − 1/3 o + 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 entre sí, y las partículas cuyas cargas tienen signos diferentes se atraen. La ley de Coulomb cuantifica 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 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, lo que da como resultado 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, lo que le da una carga neta positiva (catión), o que ha ganado uno o más electrones, lo que le da 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, dando lugar en cada caso a un ion con una carga neta positiva o negativa.
Durante la formación de objetos macroscópicos, los átomos y los iones constituyentes suelen combinarse 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 rara vez son perfectamente neutros en términos netos.
A veces, los objetos macroscópicos contienen iones distribuidos por todo el material, unidos rígidamente en un lugar, lo que da una carga neta global positiva o negativa al objeto. Además, los objetos macroscópicos hechos de elementos conductores pueden tomar o emitir electrones con mayor o menor facilidad (según el elemento) y luego mantener una carga neta negativa o positiva indefinidamente. Cuando la carga eléctrica neta de un objeto no es cero y está inmóvil, el fenómeno se conoce como electricidad estática . Esto se puede producir 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 positiva o negativamente. 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 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 estar distribuida de manera no uniforme en el objeto (por ejemplo, debido a un campo electromagnético externo o moléculas polares ligadas). 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 en un objeto producida por electrones ganados o perdidos desde el exterior del objeto se llama carga libre . El movimiento de 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 a través de 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 del SI, es exactamente1,602 176 634 × 10 −19 C . [1]
Tras descubrir el carácter cuantizado 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. La unidad se conoce hoy como carga elemental , unidad fundamental de carga o simplemente se denota como 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 gran escala 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, la gente estaba familiarizada con cuatro tipos de fenómenos que hoy en día se explicarían utilizando 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 piel atraía objetos pequeños y ligeros. [9] El primer relato del efecto ámbar se atribuye a menudo al antiguo matemático griego Tales de Mileto , que vivió entre c. 624 y 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 XXI. [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. De manera más general, 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 cabello . También descubrieron que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso podían conseguir que saltara una chispa eléctrica , [ cita requerida ] pero también hay una afirmación de que no apareció ninguna mención de chispas eléctricas hasta finales del siglo XVII. [12] Esta propiedad deriva del efecto triboeléctrico . A finales del siglo XII, se observó que el chorro de sustancia , una forma compactada 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 puede marcarse con la publicación de De Magnete por el científico inglés William Gilbert en 1600. [16] En este libro, había una pequeña sección donde Gilbert regresó al efecto ámbar (como lo llamó) al abordar muchas de las teorías anteriores, [15] y acuñó la palabra neolatina electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), la palabra griega 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 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 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 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. [20] Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle , quien en 1675 publicó el primer libro en inglés que se dedicó únicamente a los fenómenos eléctricos. [21] Su trabajo fue en gran parte una repetición de los estudios de Gilbert, pero también identificó varios "eléctricos" más, [22] y notó la atracción mutua entre dos cuerpos. [21]
En 1729 Stephen Gray estaba experimentando con electricidad estática , que generaba usando un tubo de vidrio. Observó que un corcho, usado para proteger el tubo del polvo y la humedad, también se electrificaba (se cargaba). Experimentos posteriores (por ejemplo, extender el corcho introduciendo palitos delgados en él) mostraron, 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 , quien repitió muchos de los experimentos de Gray, se le atribuye la acuñación de 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 al acercar un tubo de vidrio cargado a un trozo de plomo sostenido por un hilo, pero sin tocarlo, era posible hacer que el plomo se electrificara (por ejemplo, para atraer y repeler limaduras de latón). [24] Intentó explicar este fenómeno con la idea de los 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 conectada a los cuerpos que se electrificaban al frotarse. [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 ser 'electrificadas' al frotarse, excepto los metales y los fluidos [27] 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. [28] Cuando se frotaba el vidrio con seda , du Fay dijo que el vidrio se cargaba con electricidad vítrea , y, cuando se frotaba el ámbar con piel, el ámbar se cargaba con electricidad resinosa . En la concepción contemporánea, la carga positiva se define ahora como la carga de una varilla de vidrio después de frotarla 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 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 un efluvio. [31] Benjamin Franklin comenzó a realizar 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 mostraba que un vidrio frotado recibía la misma intensidad de carga, pero opuesta, que el paño utilizado 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 vidrio de una botella de Leyden el que contenía la carga acumulada. Postuló que frotar superficies aislantes entre sí 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 había recibido de su colega extranjero Peter Collinson. El experimento hizo que el participante A cargara el tubo de vidrio y el participante B recibiera una descarga en el nudillo del tubo cargado. Franklin identificó al participante B como cargado positivamente después de haber sido descargado por el tubo. [35] Existe cierta ambigüedad sobre si William Watson llegó de forma independiente a la misma explicación de un solo fluido en la misma época (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 algunos de los trabajos de Watson antes de hacer sus propios experimentos y análisis, lo que probablemente fue significativo para la propia teorización de Franklin. [37] Un físico sugiere que Watson propuso primero una teoría de un solo fluido, que Franklin luego elaboró más a fondo 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, de modo que Watson malinterpretó sus ideas como si fueran 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 propusieron 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 llevar un registro de la cantidad de carga. [41]
Hasta 1800, la conducción de la carga eléctrica sólo se podía estudiar mediante una descarga electrostática. En 1800, Alessandro Volta fue el primero en demostrar que la carga podía mantenerse en movimiento continuo a través de un camino cerrado. [42]
En 1833, Michael Faraday intentó eliminar cualquier duda de que la electricidad es idéntica, independientemente de la fuente por la que se produce. [43] Analizó una variedad de formas conocidas, que caracterizó como electricidad común (por ejemplo, electricidad estática , piezoelectricidad , inducción magnética ), electricidad voltaica (por ejemplo, corriente eléctrica de una pila voltaica ) y electricidad animal (por ejemplo, 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 la materia podía cargarse con un tipo de carga 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, al tiempo que expresaba neutralidad sobre si se originaba en 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, buscan volver a su estado natural, no polarizado.
Al desarrollar un enfoque de teoría de campos para la electrodinámica (que comenzó a mediados de la década de 1850), James Clerk Maxwell dejó de considerar la carga eléctrica como una sustancia especial que se acumula en los objetos y comenzó 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 a la descarga electrostática relacionada que se produce 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 se frotan entre sí un trozo de vidrio y un trozo de resina (ninguno de los cuales presenta propiedades eléctricas) y se dejan las superficies frotadas en contacto, siguen sin presentar propiedades eléctricas. Cuando se separan, se atraen entre sí.
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 la presentan están electrificados , o cargados eléctricamente . Los cuerpos pueden electrificarse de muchas otras maneras, además de por deslizamiento. Las propiedades eléctricas de los dos trozos de vidrio son similares entre sí, pero opuestas a las de los dos trozos de resina: el vidrio atrae lo que la resina repele y repele lo que la resina atrae.
Si un cuerpo electrizado de cualquier manera se comporta como el vidrio, es decir, si repele el vidrio y atrae la resina, se dice que el cuerpo está electrizado vítreamente , y si atrae el vidrio y repele la resina, se dice que está electrizado resinosamente . Todos los cuerpos electrizados están electrizados vítreamente o resinosamente.
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 electrización justifican que los indiquemos con signos opuestos, pero la aplicación del signo positivo a uno en lugar del otro tipo debe considerarse como una cuestión de convención arbitraria, al igual que es una cuestión de convención en los diagramas matemáticos 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, cargado positivamente, y el electrón, cargado negativamente . El movimiento de cualquiera de estas partículas cargadas constituye una corriente eléctrica. En muchas situaciones, basta con hablar de corriente convencional sin tener en cuenta si la transportan cargas positivas que se mueven en la dirección de la corriente convencional o 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 huecos de electrones que actúan como partículas positivas; y partículas negativas y 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 desplazamiento de los portadores de carga reales, es decir, los electrones. Esto 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 en una 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 carga-corriente . 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 los tiempos y se obtiene integrando ambos lados:
donde I es la corriente neta saliente 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 un invariante relativista . Esto significa que cualquier partícula que tenga carga q tiene la misma carga independientemente de la velocidad a la que se desplace. Esta propiedad se ha verificado experimentalmente al demostrar que la carga de un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo y moviéndose a gran velocidad) es la misma que la de dos núcleos de deuterio (un protón y un neutrón unidos, pero moviéndose mucho más lentamente que si estuvieran en un núcleo de helio). [49] [50] [51]
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