Carga eléctrica

La carga eléctrica es la propiedad física de la materia que hace que la materia cargada experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético. La carga eléctrica puede ser positiva o negativa (comúnmente transportada por protones y electrones respectivamente). Las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen. Un objeto con ausencia de carga neta se denomina neutral. El conocimiento temprano de cómo interactúan las sustancias cargadas ahora se llama electrodinámica clásica y aún es preciso para problemas que no requieren la 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 igual cantidad será neutral. La carga está cuantificada; viene en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadas carga elemental, e, sobre1.602 × 10 C, que es la carga más pequeña que puede existir libremente (las partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de1/3e, pero solo se encuentran en combinación, y siempre se combinan para formar partículas que tienen una carga que es un múltiplo entero de e). El protón tiene una carga de + e, y el electrón tiene una carga de − e.

Las cargas eléctricas producen campos eléctricos. Una carga en movimiento también produce un campo magnético. La interacción de las cargas eléctricas con un campo electromagnético (combinación de campos eléctricos y magnéticos) es la fuente de la fuerza electromagnética (o de Lorentz), que es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física. El estudio de las interacciones mediadas por fotones entre partículas cargadas se denomina electrodinámica cuántica.

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 usar el amperio-hora (A⋅h). En física y química es común utilizar la carga elemental (e) como unidad. La química también usa la constante de Faraday, que es la carga de un mol de cargas elementales. El símbolo q en minúscula a menudo denota carga.

Visión general

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 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:1/3o +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 entre sí, y las partículas cuyas cargas tienen diferente signo 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 de signo contrario.

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 anulan, lo que produce 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, 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 neutrales en general, pero los objetos macroscópicos rara vez son completamente neutrales.

A veces, los objetos macroscópicos contienen iones distribuidos por todo el material, unidos rígidamente 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 emitir electrones y luego mantener una carga negativa o positiva neta 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 al frotar dos materiales diferentes, como frotar ámbar con piel o vidrio con seda. De esta forma, 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 deSiempre se aplica la 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 oa 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 los electrones ganados o perdidos desde el exterior del objeto se denomina carga libre. El movimiento de electrones en metales conductores en una dirección específica se conoce como corriente eléctrica.

Unidad

La unidad de cantidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (símbolo: C). El culombio se define como la cantidad de carga que atraviesa la sección transversal de un conductor eléctrico transportando un amperio durante un segundo. Esta unidad se propuso en 1946 y se ratificó en 1948. El símbolo q en minúscula se usa a menudo para indicar una cantidad de carga eléctrica. La cantidad de carga eléctrica puede medirse 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 sistema de unidades SI. El valor de la carga elemental, cuando se expresa en unidades SI, es exactamente1.602 176 634 × 10 C.

Después de descubrir el carácter cuantizado de la carga, en 1891 George Stoney propuso la unidad 'electrón' para esta unidad fundamental de carga eléctrica. JJ Thomson posteriormente 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. Una medida de carga 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 fraccional.

La unidad faraday se usa a veces en electroquímica. Un faraday es la magnitud de la carga de un mol de electrones, es decir, 96485,33289(59) C.

En el sistema CGS, la carga eléctrica se expresa como una combinación de tres cantidades mecánicas: longitud, masa y tiempo, a diferencia del SI, que incorpora una dimensión electromagnética independiente.

Historia

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 atraería objetos pequeños y ligeros. El primer relato del efecto ámbar a menudo se atribuye al antiguo matemático griego Tales de Mileto, que vivió desde c. 624 a c. 546 a. C., pero existen dudas sobre si Tales dejó algún escrito; su relato sobre el ámbar se conoce a partir de un relato de principios del siglo XX. 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 tienen alma.En otras palabras, no había indicios de ningún concepto de carga eléctrica. En términos más generales, los antiguos griegos no entendieron 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 hacer saltar una chispa eléctrica, pero también se afirma que no apareció ninguna mención de chispas eléctricas hasta finales del siglo XVII. Esta propiedad se deriva del efecto triboeléctrico. A finales de 1100, se observó que la sustancia azabache, una forma compacta de carbón, tenía un efecto ámbar y, a mediados de 1500, Girolamo Fracastoro descubrió que el diamante también mostraba este efecto.Fracastoro y otros hicieron algunos esfuerzos, especialmente Gerolamo Cardano, para desarrollar explicaciones para este fenómeno.

A diferencia de la astronomía, la mecánica y la óptica, que se habían estudiado cuantitativamente desde la antigüedad, el comienzo 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. En este libro, hubo una pequeña sección en la que Gilbert volvió al efecto ámbar (como él lo llamó) al abordar muchas de las teorías anteriores, y acuñó la nueva palabra latina electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), la palabra griega para ámbar). La palabra latina fue traducida al inglés como electrics. A Gilbert también se le atribuye el término eléctrico, mientras que el términola electricidad vino más tarde, atribuida por primera vez a Sir Thomas Browne en su Pseudodoxia Epidemica de 1646. (Para obtener 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".

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. Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle, quien en 1675 publicó el primer libro en inglés dedicado exclusivamente a los fenómenos eléctricos. Su trabajo fue en gran parte una repetición de los estudios de Gilbert, pero también identificó varias "eléctricas" más y notó la atracción mutua entre dos cuerpos.

En 1729, Stephen Gray estaba experimentando con la electricidad estática, que generó usando un tubo de vidrio. Notó que un corcho, usado para proteger el tubo del polvo y la humedad, también se electrificó (cargó). Otros experimentos (p. ej., extender el corcho introduciendo palos 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 hilo (765 pies) y alambre (865 pies). 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 haber acuñado los términos conductores y aisladores para referirse a los efectos de diferentes materiales en estos experimentos. Gray también descubrió la inducción eléctrica (es decir, donde la carga podría transmitirse de un objeto a otro sin ningún contacto físico directo). Por ejemplo, demostró que al acercar un tubo de vidrio cargado, pero sin tocarlo, a un trozo de plomo sostenido por un hilo, era posible electrificar el plomo (p. ej., para atraer y repeler limaduras de latón). Intentó explicar este fenómeno con la idea de efluvios eléctricos.

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, abría la posibilidad teórica de que esta propiedad no estuviera indisolublemente ligada a los cuerpos que se electrificaban por frotamiento. 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' por frotamiento, a excepción de los metales. y fluidos y propuso que la electricidad viene en dos variedades que se anulan entre sí, lo que expresó en términos de una teoría de dos fluidos.Cuando el vidrio se frotaba con seda, du Fay dijo que el vidrio se cargaba con electricidad vítrea, y cuando el ámbar se frotaba 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 frotarla con un paño de seda, pero es arbitrario qué tipo de carga se llama positiva y cuál se llama negativa. Jean-Antoine Nollet (1745) propuso otra importante teoría de dos fluidos de esta época.

Hasta alrededor de 1745, la principal explicación de la atracción y repulsión eléctrica era la idea de que los cuerpos electrificados despedían un efluvio. Benjamin Franklin comenzó experimentos eléctricos a finales de 1746, 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 fuerza de carga, pero opuesta, que la tela utilizada para frotar el vidrio.Franklin imaginó la electricidad como un tipo de fluido invisible presente en toda la materia; por ejemplo, creía que era el vaso de una botella de Leyden el que contenía la carga acumulada. Postuló que el frotamiento de superficies aislantes provocaba 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 del fluido estaba cargada positivamente y cuando tenía un déficit estaba cargada negativamente. Identificó el término positivo con electricidad vítrea y negativocon 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 electrocutado por el tubo. Existe cierta ambigüedad acerca de si William Watson llegó de forma independiente a la misma explicación fluida 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. Franklin había estudiado algunos de los trabajos de Watson antes de realizar sus propios experimentos y análisis, lo que probablemente fue significativo para la propia teorización de Franklin.Un físico sugiere que Watson primero propuso una teoría de fluido único, que luego Franklin elaboró ​​más y de manera más influyente. Un historiador de la ciencia argumenta que Watson pasó por alto una diferencia sutil entre sus ideas y las de Franklin, por lo que Watson malinterpretó sus ideas como si fueran similares a las de Franklin. 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. Después del trabajo de Franklin, rara vez se propusieron explicaciones basadas en efluvios.

Ahora se sabe que el modelo de Franklin 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.

Hasta 1800 solo era posible estudiar la conducción de la carga eléctrica mediante el uso de 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.

En 1833, Michael Faraday trató de eliminar cualquier duda de que la electricidad es idéntica, independientemente de la fuente que la produzca. 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 los fluidos o una propiedad de la materia, como la gravedad. Investigó si la materia podía cargarse con un tipo de cargo independientemente del otro. 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.

En 1838, Faraday también presentó una explicación teórica de la fuerza eléctrica, mientras expresaba neutralidad sobre si se origina en uno, dos o ningún fluido. Se centró en la idea de que el estado normal de las partículas es no polarizarse y que, cuando están polarizadas, buscan volver a su estado natural no polarizado.

Al desarrollar un enfoque de teoría de campos para la electrodinámica (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.. Esta comprensión precuántica consideraba que la magnitud de la carga eléctrica era una cantidad continua, incluso a nivel microscópico.

El papel de la carga en la electricidad estática.

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.

Electrificación por fricción

Cuando un trozo de vidrio y un trozo de resina, ninguno de los cuales presenta propiedades eléctricas, se frotan entre sí y se dejan con las superficies frotadas en contacto, siguen sin exhibir propiedades eléctricas. Cuando se separan, se atraen entre sí.

Una segunda pieza de vidrio frotada con una segunda pieza de resina, luego separada y suspendida cerca de las primeras piezas de vidrio y resina provoca 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 las exhiben están electrificados, o cargados eléctricamente. Los cuerpos pueden electrificarse de muchas otras formas, además de 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 vítreamente electrificado, y si atrae el vidrio y repele la resina se dice que electrificarse resinosamente. Todos los cuerpos electrificados están electrificados 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 las dos clases de electrificación justifican que las indiquemos con signos opuestos, pero la aplicación del signo positivo a una en lugar de a la otra debe considerarse como una cuestión de convención arbitraria, del mismo modo que es una cuestión de convención en diagrama matemático para contar distancias positivas hacia la mano derecha.

Ninguna fuerza, ni de atracción ni de repulsión, puede observarse entre un cuerpo electrificado y un cuerpo no electrificado.

El papel de la carga en la corriente eléctrica.

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, 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 mira 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 positivas y negativas (iones u otras partículas cargadas) que fluyen en direcciones opuestas en una solución electrolítica o 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.

Conservación de la carga eléctrica

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 norma de la función de onda. La conservación de la carga da como resultado la ecuación de continuidad 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 al área integral 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.

Invariancia relativista

Aparte de las propiedades descritas en artículos sobre electromagnetismo, la carga es una invariante relativista. Esto significa que cualquier partícula que tiene carga q tiene la misma carga independientemente de qué tan rápido viaje. Esta propiedad se ha verificado experimentalmente mostrando 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).