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Carga eléctrica

Carga eléctrica

Una carga eléctrica (la cantidad de electricidad) es una cantidad escalar física que determina la capacidad de los cuerpos para ser una fuente de campos electromagnéticos y participar en la interacción electromagnética. La primera carga eléctrica se introdujo en la ley de Coulomb en 1785.

La unidad de carga en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el Coulomb: una carga eléctrica que pasa a través de la sección transversal de un conductor con una corriente de 1 A durante 1 s. La carga en un Coulomb es muy grande. Si se colocaran dos portadores de carga (q 1 = q 2 = 1 C) en el vacío a una distancia de 1 m, entonces interactuarían con una fuerza de 9⋅10 9 H, es decir, con la fuerza con la cual la gravedad de la Tierra atrae un objeto que pesa aproximadamente 1 millón toneladas.

Hasta donde sabemos, la carga eléctrica en la naturaleza solo ocurre en múltiplos enteros de la carga elemental e. Es igual a la carga del protón, y tiene un valor de 1,602 176 53 × 10 -19 C. El electrón tiene exactamente la misma carga, pero luego negativo. Cargas que no son múltiplos de e, solo ocurren en quarks. Estas son partículas elementales, cuya carga es un múltiplo de e / 3, pero que, a diferencia de los protones y los electrones, nunca se han observado por separado.

La cuantización de la carga eléctrica

Si no se consideran los quarks, no se ha descubierto ningún objeto con una carga inferior a la del electrón: por esta razón, el valor de su carga se considera la unidad fundamental de carga eléctrica, y todas las cantidades de carga son múltiples de carga de electrones. Sin embargo, según el modelo estándar de física, las cargas de partículas más pequeñas son ± e / 3, ± 2 e / 3 y ± e : por ejemplo, el quark descendente tiene carga - e / 3, el quark up tiene carga 2 y / 3, mientras que sus antipartículas tienen cargas opuestas.

Los otros quarks, de mayor masa, tienen en cualquier caso cargas ± y / 3 o ± 2 y / 3. Aunque los quarks llevan una carga eléctrica, la observación de un quark libre requiere una energía extremadamente alta que recientemente está al alcance de los aceleradores de partículas, debido a la alta intensidad de las fuertes interacciones nucleares que los mantienen unidos. Se cree que es posible la existencia de un plasma de quarks y gluones libres a aproximadamente 150 GeV, aproximadamente 1 ×  10 12 K; los físicos intentan conseguirlo al chocar núcleos pesados, como el oro, a energías de aproximadamente 100 GeV por nucleón.

Además de la carga eléctrica, también podemos definir una carga de color, que introduce un número cuántico adicional, utilizado para describir los quarks y gluones, junto con el sabor, en la teoría de la cromodinámica cuántica.

El electrón

El electrón es una partícula subatómica que tiene una masa en reposo de9.109 3826 (16) × 10 −31  kg, igual a aproximadamente 1/1836 de la del protón. El momento angular intrínseco, o espín, es un valor semi-entero de 1/2 en unidades de ħ, lo que hace que el electrón sea un fermión, sujeto por lo tanto al principio de exclusión de Pauli. La antipartícula del electrón es el positrón, que difiere solo en la carga eléctrica opuesta; cuando estas dos partículas colisionan pueden ser difusas o aniquiladas produciendo fotones, más precisamente los rayos gamma.

La idea de una cantidad fundamental de carga eléctrica fue introducida por el filósofo Richard Laming en 1838 para explicar las propiedades químicas del átomo; el término electrón fue acuñado más tarde en 1894 por el físico irlandés George Johnstone Stoney, y fue reconocido como una partícula por Joseph John Thomson y su grupo de investigación. Más tarde, su hijo George Paget Thomson demostró la doble naturaleza corpuscular y ondulatoriadel electrón, que luego se describe por la mecánica cuántica por medio del dualismo onda-partícula.

Los electrones, junto con los protones y los neutrones, son partes de la estructura de los átomos y, aunque contribuyen menos del 0.06% a la masa total del átomo, son responsables de sus propiedades químicas; en particular, el intercambio de electrones entre dos o más átomos es la fuente del enlace químico covalente.

La mayoría de los electrones en el universo fueron creados durante el Big Bang, aunque esta partícula puede generarse a través de la desintegración beta de los isótopos radiactivos y en colisiones de alta energía, mientras que puede aniquilarse gracias a la colisión con el positrón y ser absorbida en Un proceso de nucleosíntesis estelar.

En muchos fenómenos físicos, particularmente en el electromagnetismo y en la física del estado sólido, el electrón tiene un papel esencial: es responsable de la conducción de corriente eléctrica y calor, su movimiento genera el campo magnético y la variación de su energía es responsable de la producción de fotones.

El advenimiento de la electrónica, de donde nació la informática, coloca al electrón en la base del desarrollo tecnológico del siglo XX. Sus propiedades también se explotan en diversas aplicaciones, como tubos de rayos catódicos, microscopios electrónicos, radioterapia y láser.

El electrón también pertenece a la clase de partículas subatómicas llamadas leptones, que se cree que son componentes fundamentales de la materia (es decir, no se pueden descomponer en partículas más pequeñas).

Electrostática

La electrostática es la sección de la doctrina de la electricidad, que estudia las interacciones y propiedades de los sistemas de cargas eléctricas que están inmóviles en relación con el marco de referencia inercial elegido.

La magnitud de la carga eléctrica (de lo contrario, simplemente una carga eléctrica) puede tomar valores positivos y negativos; Es una característica numérica de los portadores de carga y los cuerpos cargados. Este valor se determina de tal manera que la interacción de la fuerza transferida por el campo entre las cargas es directamente proporcional a la magnitud de las cargas que interactúan entre sí partículas o cuerpos, y las direcciones de las fuerzas que actúan sobre ellas desde el lado del campo electromagnético dependen del signo de las cargas.

La carga eléctrica de cualquier sistema de cuerpos consiste en un número entero de cargas elementales igual a aproximadamente 1.6⋅10 −19 C en el sistema SI o 4.8⋅10 −10 unidades. SSSE. Los portadores de carga eléctrica son partículas elementales cargadas eléctricamente. La masa más pequeña en la partícula libre con una carga eléctrica elemental negativa es un electrón (su masa es 9.11⋅10 −31 kg). La antipartícula más pequeña estable en masa con una carga elemental positivaun positrón que tiene la misma masa que un electrón. También hay una partícula estable con una carga elemental positiva: un protón (la masa es 1.67⋅10 −27 kg) y otras partículas menos comunes. Se planteó una hipótesis (1964) de que también hay partículas con una carga más baja (± â…“ y ± â…” de la carga elemental) - quarks; sin embargo, no están aislados en el estado libre (y, aparentemente, pueden existir solo como parte de otras partículas - hadrones), como resultado, cualquier partícula libre lleva solo un número entero de cargas elementales.

La carga eléctrica de cualquier partícula elemental es una cantidad invariablemente relativista. No depende del marco de referencia, lo que significa que no depende de si esta carga se mueve o descansa, es inherente a esta partícula durante toda su vida, por lo tanto, las partículas cargadas elementales a menudo se identifican con sus cargas eléctricas. En general, en la naturaleza hay tantas cargas negativas como positivas. Las cargas eléctricas de los átomos y las moléculas son iguales a cero, y las cargas de iones positivos y negativos en cada celda de las redes cristalinas de sólidos se compensan.

Voltaje y capacidad de las cargas eléctricas

Las partículas cargadas de la misma polaridad se repelen entre sí con una fuerza que aumenta cuadráticamente al disminuir la distancia entre las partículas. Al agregar partículas cargadas a un conductor, la distancia entre las partículas disminuye, por lo que se necesita más y más energía por unidad de carga para agregar carga adicional. Este es el potencial o voltaje de ese conductor, expresado en voltios (V). Un conductor que toma mucha carga por voltio tiene una alta capacidad. Esa capacidad depende naturalmente de las dimensiones de ese conductor.

Se han diseñado construcciones especiales para almacenar tanta carga como sea posible por voltio. Dichos componentes se llaman condensadores; hacen uso de la fuerza de atracción entre partículas con carga opuesta en dos conductores estrechamente espaciados, para eliminar la fuerza repulsiva de partículas con carga igual dentro de cada conductor.

La carga también se puede almacenar en una esfera metálica aislada de la tierra (como en el generador de vandigra). Sin embargo, si la carga se vuelve demasiado grande, se producirán fugas al aire debido a la ionización, que puede ir acompañada de chispas si hay carga suficiente. La cantidad máxima de carga (y, por lo tanto, también el voltaje eléctrico) en una esfera eléctricamente conductora depende linealmente del tamaño (diámetro) de esa esfera. Cuando la esfera se agranda, el peligro para el hombre aumenta, porque la descarga puede conducir a grandes corrientes. Con una corriente eléctrica de más de 100 mA a través del músculo cardíaco de un ser humano, el riesgo de paro cardíaco es alto.

Fuerzas entre cargas eléctricas

La ley de Coulomb expresa la atracción o repulsión de los objetos cargados en reposo en forma de fórmula. Las cargas eléctricas provocan campos eléctricos, independientemente de su estado de movimiento. Las fuerzas entre cargas estacionarias se estudian en electrostática. Las cargas eléctricas en movimiento también causan un campo magnético; dicho campo se propaga a la velocidad de la luz y, a su vez, influye en las otras cargas móviles. A saber, un campo magnético ejerce una fuerza lorentz sobre una carga que atraviesa la dirección del campo, que es perpendicular tanto a la dirección del campo como a la dirección del movimiento. Esta es la causa del fenómeno de inducción., descrito por la ley de Faraday, y también de un efecto de compresión en los portadores de carga libre con el mismo signo moviéndose en la misma dirección. Este es un efecto conocido en la física del plasma.

Tanto la atracción y la repulsión electrostática como la fuerza de Lorentz están contenidas en el amplio ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo.

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Última revisión: 30 de agosto de 2019