Carga eléctrica

En física, carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la Interacción electromagnética.

La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por definición, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria ±1/3 o ±2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza.^[1]

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,25 × $10^{18}$ electrones aproximadamente.

Historia

Artículo principal: Historia del electromagnetismo

Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar ámbar con una piel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y pequeñas semillas. Su descubrimiento se le atribuye al filósofo griego Tales de Mileto, quién vivió hace unos 2500 años aproximadamente.^[2]

El médico inglés William Gilbert (1540 - 1603) observó que algunos otros materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier otro cuerpo, aún cuando no sea ligero. Como la designación griega correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctrico para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que derivó en los términos electricidad y carga eléctrica. Además en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.^[2]

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se lo atribuye a Stephen Gray, el primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay aunque fue Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como una electricidad normal de los cuerpos antes de ser frotados que después se distribuía en lugares donde había más atracción que otros; por eso los denominó como (+) y (-).^[2]

Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX que estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833 y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.^[2]

Naturaleza de la carga

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta de dos tipos. Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Éstas ahora llevan el nombre con las que Benjamin Franklin las denominó: cargas positivas y negativas.^[3]

Carga eléctrica elemental

Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1.6 x 10^-19 coulombios y es conocida como carga elemental. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en ausencia.^[4]

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de $9x10^{9}$ N.

Un culombio corresponde a 6,24 × $10^{18}$ electrones.^[5] El valor de la carga del electrón fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con la última lista de constantes del CODATA publicada es:^[6]

$e={\frac {-1C}{6,24\times 10^{18}}}=-1,602564\times 10^{-19}C$

Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:

1 miliculombio =

{\frac {1C}{1.000}}=1mC

1 microculombio =

{\frac {1C}{1.000.000}}=1\mu C

Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya unidad de carga eléctrica es el Franklin (Fr). El valor de la carga elemental es entonces de aproximadamente 4.803 x 10^–10 Fr.

Propiedades de la carga

Principio de conservación de la carga

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.

En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.^[3]

Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Así por el teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano asociada a un grupo uniparamétrico de transformaciones que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una magnitud conservada.^[7] La conservación de la carga implica, al igual que la conservación de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuación de continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga eléctrica con la divergencia del vector densidad de corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio neto en la densidad de carga $\rho$ dentro de un volumen prefijado $V$ es igual a la integral de la densidad de corriente eléctrica $J$ sobre la superficie $S$ que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica $I$ :

$-{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho \,dV=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \mathbf {dS} =I=-{\frac {\partial Q}{\partial t}}$

Cuantización de la carga

Gracias a los trabajos de Millikan al medir la carga eléctrica del electrón, se demostró que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que los valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima.^[8] Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como $\ N\times e$ siendo N un número entero, positivo o negativo.

Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el protón +e y para el neutrón, 0. La física de partículas postula que la carga de los quarks, partículas que componen a protones y neutrones, toman valores fraccionarios de esta carga elemental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.^[9]

Invariante relativista

Otra propiedad de la carga eléctrica es que es un invariante relativista. Eso quiere decir que todos los observadores, sin importar su estado de movimiento y su velocidad, podrán siempre medir la misma cantidad de carga.^[4] Así, a diferencia de la masa o el tiempo, cuando un cuerpo o partícula se mueve a velocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variará. El valor de la carga no varía de acuerdo a cuán rápido se mueva el cuerpo que la posea.

Densidad de carga eléctrica

A pesar de que las cargas eléctricas son cuantizadas y, por ende, múltiplos de una carga elemental, en ocasiones las cargas eléctricas en un cuerpo están tan cercanas entre sí, que se puede suponer que están distribuidas de manera uniforme por el cuerpo del cual forman parte. La característica principal de estos cuerpos es que se los puede estudiar como sí fueran continuos, lo que hace mas fácil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se distinguen tres tipos de densidad de carga eléctrica: lineal, superficial y volumétrico.^[10]

Densidad de carga lineal

Se usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.

$\lambda ={\frac {Q}{L}}$

donde $Q$ es la carga del cuerpo y $L$ es la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en C/m (culombios por metro).

Densidad de carga superficial

Se emplea para superficies, por ejemplo una plancha metálica delgada como el papel de aluminio.

$\sigma ={\frac {Q}{S}}$

donde $Q$ es la carga del cuerpo y $S$ es la superficie. En el SI se mide en C/m² (culombios por metro cuadrado).

Densidad de carga volumétrica

Se emplea para cuerpos que tienen volumen.

$\rho ={\frac {Q}{V}}$

donde $Q$ es la carga del cuerpo y $V$ el volumen. En el SI se mide en C/m³ (culombios por metro cúbico).

Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos

Artículo principal: Electrización

Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes:

Electrización por contacto,
Electrización por frotamiento,
Carga por inducción,
Carga por el Efecto Fotoeléctrico,
Carga por Electrólisis, y
Carga por Efecto Termoeléctrico.

Véase también

Referencias

↑ Eric W. Weisstein (2007). «Charge» (en inglés). Consultado el 12/02/2008.
↑ ^a ^b ^c ^d Profs. Casatroja - Ferreira. «Electrostática». Consultado el 21 de febrero de 2008.
↑ ^a ^b Willians Barreto (2006). «Carga eléctrica». Consultado el 26 de febrero de 2008.
↑ ^a ^b «Electromagnetismo y Óptica». Consultado el 27 de febrero de 2008.
↑ «La carga eléctrica». Consultado el 21 de febrero de 2008.
↑ «The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty: elementary charge». 2006. Consultado el 28 de febrero de 2008.
↑ María Lourdes Dominguez Carrascoso (2005). «Simetría y leyes de conservación». Consultado el 26 de febrero de 2008.
↑ Constantino Utreras (1999). «Electrificación por Conducción». Consultado el 27 de febrero de 2008.
↑ Particle Data Group. «Los graciosos quarks». Consultado el 27 de febrero de 2008.
↑ Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (2007). «Densidad de carga eléctrica». Consultado el 28 de febrero de 2008.

Enlaces externos

Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre Carga eléctrica.
Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre carga eléctrica.
Wikilibros alberga un libro o manual sobre carga eléctrica.

[1] Eric W. Weisstein (2007). «Charge» (en inglés). Consultado el 12/02/2008.

[historia-2] Profs. Casatroja - Ferreira. «Electrostática». Consultado el 21 de febrero de 2008.

[conservación-3] Willians Barreto (2006). «Carga eléctrica». Consultado el 26 de febrero de 2008.

[relativista-4] «Electromagnetismo y Óptica». Consultado el 27 de febrero de 2008.

[5] «La carga eléctrica». Consultado el 21 de febrero de 2008.

[6] «The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty: elementary charge». 2006. Consultado el 28 de febrero de 2008.

[7] María Lourdes Dominguez Carrascoso (2005). «Simetría y leyes de conservación». Consultado el 26 de febrero de 2008.

[8] Constantino Utreras (1999). «Electrificación por Conducción». Consultado el 27 de febrero de 2008.

[9] Particle Data Group. «Los graciosos quarks». Consultado el 27 de febrero de 2008.

[10] Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (2007). «Densidad de carga eléctrica». Consultado el 28 de febrero de 2008.

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