1_1 – Carga Eléctrica

Carga eléctrica
se corresponde con la carga de 6,241 509 × 1018 electrones aproximadamente.
2 Historia
Tipo de interacción (atractiva o respulsiva) entre cargas de igual
y distinta naturaleza.
La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de
algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas por la mediación de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo
eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que
posee una partícula para intercambiar fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de
un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma
algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en
el tiempo .
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por
razones históricas, a los electrones se les asignó carga
Experimento de la cometa de Benjamín Franklin.
negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen
carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar ámbar
con una piel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos
observar libres en la naturaleza.[1]
ligeros tales como trozos de paja y plumas pequeñas. Su
descubrimiento se le atribuye al filósofo griego Tales de
Mileto (ca. 639-547 a. C.), quién vivió hace unos 2500
años.[2]
1 Unidades
El médico inglés William Gilbert (1540-1603) observó
que algunos materiales se comportan como el ámbar al
frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el
nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctrico para referirse
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio o coulomb (símbolo
C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la
sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio, y
1
2
4 PROPIEDADES DE LAS CARGAS
a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó 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 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 la electricidad de los cuerpos, después de ser
frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más
atracción; por eso los denominó (+) y (-).[2]
Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando 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]
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.[6]
Aunque no tenemos una explicación suficientemente
completa de porqué la carga es una magnitud cuantizada,
que sólo puede aparecer en múltiplos de la carga elemental, se han propuestos diversas ideas:
• Paul Dirac mostró que si existe un monopolo magnético la carga eléctrica debe estar cuantizada.
• En el contexto de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar
Klein encontró que si se interpretaba el campo electromagnético como un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topología M × S 1
, entonces la compacidad de S 1 comportaría que
el momento lineal según la quinta dimensión estaría
cuantizado y de ahí se seguía la cuantización de la
carga.
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se de3 Naturaleza de la carga
fine como la cantidad de carga que a la distancia de 1
metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza
La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la
de 9×109 N.
materia que se presenta en dos tipos. Éstas llevan ahora
el nombre con las que Benjamin Franklin las denominó: Un culombio corresponde a la carga de 6,241 509 × 1018
cargas positivas y negativas.[3] Cuando cargas del mismo electrones.[7] El valor de la carga del electrón fue detertipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se minado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan
atraen. Con el advenimiento de la teoría cuántica relati- y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de
vista, se pudo demostrar formalmente que las partículas, acuerdo con la última lista de constantes del CODATA
además de presentar carga eléctrica (sea nula o no), pre- publicada es:[4]
sentan un momento magnético intrínseco, denominado
1C
−19
espín, que surge como consecuencia de aplicar la teoría
e = 6,241509×10
C
18 = 1, 602176×10
de la relatividad especial a la mecánica cuántica.
3.1
Carga eléctrica elemental
Como el culombio puede no ser manejable en algunas
aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que
la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La uni1C
dad más elemental de carga se encontró que es la car- 1.000 = 1mC
ga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176
1C
487(40) × 10−19 culombios y es conocida como carga
= 1µC
[4]
elemental. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, 1.000.000
representada como q o Q, se mide según el número de Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya
electrones que posea en exceso o en defecto.[5]
unidad de carga eléctrica es el Franklin (Fr). El valor
elemental es entonces de aproximadamente
Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga de la carga
–10
4,803×10
Fr.
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 × e siendo N un número entero, positivo
o negativo.
4 Propiedades de las cargas
5.1
4.1
Densidad de carga lineal
3
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, sólo existe 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]
se encuentra sobre una línea, una superficie o una región
del espacio, respectivamente. Por lo tanto se distingue en
estos tres tipos de densidad de carga.[9] Se representaría
con las letras griegas lambda (λ), para densidad de carga
lineal, sigma (σ), para densidad de carga superficial y ro
(ρ), para densidad de carga volumétrica.
Puede haber densidades de carga tanto positivas como
negativas. No se debe confundir con la densidad de portadores de carga.
A pesar de que las cargas eléctricas son cuantizadas con
q 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 si fueran continuos, lo que hace
Al igual que las otras leyes de conservación, la conserva- más fácil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se disción de la carga eléctrica está asociada a una simetría del tinguen tres tipos de densidad de carga eléctrica: lineal,
lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. superficial y volumétrica.
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 5.1 Densidad de carga lineal
una magnitud conservada.[8] La conservación de la carga implica, al igual que la conservación de la masa, que Se usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.
en cada punto del espacio se satisface una ecuación de
continuidad que relaciona la derivada de la densidad de
λ= Q
carga eléctrica con la divergencia del vector densidad de
L
corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio
neto en la densidad de carga ρ dentro de un volumen pre- Donde Q es la carga encerrada en el cuerpo y L es la
fijado V es igual a la integral de la densidad de corriente longitud. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se
eléctrica J sobre la superficie S que encierra el volumen, mide en C/m (culombios por metro).
que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica
I:
5.2 Densidad de carga superficial
−
4.2
∂
∂t
∫
∫
J · dS = I = −
ρ dV =
V
S
∂Q
∂t
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.[5] Así, a diferencia del espacio, el tiempo, la
energía o el momento lineal, 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.
Se emplea para superficies, por ejemplo una plancha metálica delgada como el papel de aluminio.
σ=
donde Q es la carga encerrada en el cuerpo y S es la superficie. En el SI se mide en C/m2 (culombios por metro
cuadrado).
5.3 Densidad de carga volumétrica
Se emplea para cuerpos que tienen volumen.
ρ=
5
Densidad de carga eléctrica
Q
S
Q
V
donde Q es la carga encerrada en el cuerpo y V el voSe llama densidad de carga eléctrica a la cantidad de car- lumen. En el SI se mide en C/m3 (culombios por metro
ga eléctrica por unidad de longitud, área o volumen que cúbico).
4
6
8
Formas para cambiar la carga 8 Referencias
eléctrica de los cuerpos
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:
1. Electrización por contacto: Cuando ponemos un
cuerpo cargado en contacto con un conductor se
puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al
otro y así el conductor queda cargado, positivamente
si cedió electrones o negativamente si los ganó.
2. Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o
viceversa, de modo que cuando se separan ambos
cuerpos quedan con cargas opuestas.
[1] Eric W. Weisstein (2007). «Charge» (en inglés). Consultado el 12 de febrero de 2008.
[2] Profs. Casatroja - Ferreira. «Electrostática». Consultado
el 21 de febrero de 2008.
[3] Willians Barreto (2006). «Carga eléctrica». Consultado el
26 de febrero de 2008.
[4] «The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty: elementary charge». NIST. 2006. Consultado el 28
de febrero de 2008.
[5] «Electromagnetismo y Óptica». Consultado el 27 de febrero de 2008.
[6] Particle Data Group. «Los graciosos quarks». Consultado
el 27 de febrero de 2008.
[7] Calculado como 1/e, donde e es el valor de la carga elemental.
3. Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo carga- [8]
do negativamente a un conductor aislado, la fuerza
de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones
de valencia en la superficie del conductor hace que
[9]
estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber
una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del
conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor 8.1
sigue siendo cero (neutro).
•
4. Carga por el Efecto Fotoeléctrico: Sucede cuando se
liberan electrones en la superficie de un conductor al
ser irradiado por luz u otra radiación electromagné•
tica.
5. Carga por Electrólisis: Descomposición química de
una sustancia, producida por el paso de una corriente
eléctrica continua.
8.2
6. Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir
electricidad por la acción del calor.
7
REFERENCIAS
Véase también
María Lourdes Dominguez Carrascoso (2005). «Simetría
y leyes de conservación». Consultado el 26 de febrero de
2008.
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
(2007). «Densidad de carga eléctrica». Consultado el 28
de febrero de 2008.
Bibliografía
Landau & Lifshitz, Teoría clásica de los campos, Ed.
Reverté, ISBN 84-291-4082-4.
Segura González, Wenceslao, Teoría de campo relativista, eWT Ediciones, 2014, ISBN 978-84-6171463-6.
Enlaces externos
•
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•
Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre carga eléctrica.Wikcionario
• Campo electrostático
• Electroscopio
• Electromagnetismo
• Generador de Van de Graaff
• Interacción electromagnética
• Ley de Coulomb
• Electricidad
• Magnetismo
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Wikilibros alberga un libro o manual sobre carga
eléctrica.
5
9
Texto e imágenes de origen, colaboradores y licencias
9.1
Texto
• Carga eléctrica Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica?oldid=84074164 Colaboradores: Maveric149, Youssefsan, PACO, Joseaperez, Moriel, JorgeGG, Robbot, Neumotoraxiv, Mdiagom, Zwobot, Rosarino, Triku, Sms, Tostadora, Tano4595, Robotito, Feliciano, Dianai, Xenoforme, Jpolar, Coio81, Biohazard910, Renabot, Digigalos, Soulreaper, Petronas, Hispa, Xuankar, Airunp,
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