Carga eléctrica

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Carga eléctrica

Interacciones entre cargas de igual y distintanaturaleza.

La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunaspartículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atraccióny repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influidapor los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora deellos. La denominada interacción electromagnética entre carga ycampo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de lafísica. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica esuna medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiarfotones.

Una de las principales características de la carga eléctrica es que, encualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre seconserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. Qi=QfLa carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Porrazones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen cargapositiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observarlibres en la naturaleza.

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UnidadesEn 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 se corresponde con la carga de 6,241 509 ×  electronesaproximadamente.

Historia

Experimento de la cometa de Benjamín Franklin.

Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar ámbar con unapiel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros talescomo trozos de paja y plumas pequeñas. Su descubrimiento se leatribuye al filósofo griego Tales de Mileto (ca. 639-547 a.C.),quién vivió hace unos 2500 años.

El médico inglés William Gilbert (1540-1603) observó quealgunos materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y quela atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, auncuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente alámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctricopara referirse a todo material que se comportaba como aquél, loque originó los términos electricidad y carga eléctrica. Además,en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación delos fenómenos eléctricos y magnéticos.

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos alconectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray.El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga esCharles du Fay, aunque fue Benjamin Franklin quién al estudiarestos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos,después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares dondehabía más atracción; por eso los denominó (+) y (-).

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 permitierondescubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenoselectromagnéticos 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.

Naturaleza de la cargaLa carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta en dos tipos. Éstas llevan ahora elnombre con las que Benjamin Franklin las denominó: cargas positivas y negativas. Cuando cargas del mismo tipo seencuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Con el advenimiento de la teoría cuántica relativista, sepudo demostrar formalmente que las partículas, además de presentar carga eléctrica (sea nula o no), presentan unmomento magnético intrínseco, denominado espín, que surge como consecuencia de aplicar la teoría de la relatividadespecial a la mecánica cuántica.

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Carga eléctrica elementalLas investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad máselemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10-19

culombios 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 defecto.Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de cargaeléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puedeescribirse como 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 departículas postula que la carga de los quarks, partículas que componen a protones y neutrones toman valoresfraccionarios de esta carga elemental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga enconjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de porqué la carga es una magnitud cuantizada, quesólo 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 ,entonces la compacidad de comportaría que el momento lineal según la quinta dimensión estaría cuantizado yde 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 definecomo la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de9×109 N.Un culombio corresponde a la carga de 6,241 509 × 1018 electrones.[1] El valor de la carga del electrón fuedeterminado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacionalde acuerdo con la última lista de constantes del CODATA publicada es:

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

1 miliculombio =

1 microculombio =

Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya unidad de carga eléctrica es el Franklin (Fr). El valor de lacarga elemental es entonces de aproximadamente 4,803×10–10 Fr.

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Propiedades de las cargas

Principio de conservación de la cargaEn concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no haydestrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de unsistema aislado se conserva.En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera, sólo existe una separación delas 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 sistemapermanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña quesea.Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está asociada a una simetría dellagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Así por el teorema de Noether a cada simetría dellagrangiano asociada a un grupo uniparamétrico de transformaciones que dejan el lagrangiano invariante lecorresponde una magnitud conservada. 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 decarga eléctrica con la divergencia del vector densidad de corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambioneto en la densidad de carga dentro de un volumen prefijado es igual a la integral de la densidad de corrienteeléctrica sobre la superficie que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica

:

Invariante relativistaOtra 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. Así, adiferencia del espacio, el tiempo, la energía o el momento lineal, cuando un cuerpo o partícula se mueve avelocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variará. El valor de la carga no varía deacuerdo a cuán rápido se mueva el cuerpo que la posea.

Densidad de carga eléctricaSe llama densidad de carga eléctrica a la cantidad de carga eléctrica por unidad de longitud, área o volumen que seencuentra sobre una línea, una superficie o una región del espacio, respectivamente. Por lo tanto se distingue en estostres tipos de densidad de carga. 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 portadoresde carga.A pesar de que las cargas eléctricas son cuantizadas con q y, por ende, múltiplos de una carga elemental, enocasiones las cargas eléctricas en un cuerpo están tan cercanas entre sí, que se puede suponer que están distribuidasde manera uniforme por el cuerpo del cual forman parte. La característica principal de estos cuerpos es que se lospuede estudiar como si fueran continuos, lo que hace más fácil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se distinguentres tipos de densidad de carga eléctrica: lineal, superficial y volumétrica.

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Densidad de carga linealSe usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.

Donde es la carga encerrada en el cuerpo y es la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) semide en C/m (culombios por metro).

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

donde es la carga encerrada en el cuerpo y es la superficie. En el SI se mide en C/m2 (culombios por metrocuadrado).

Densidad de carga volumétricaSe emplea para cuerpos que tienen volumen.

donde es la carga encerrada en el cuerpo y el volumen. En el SI se mide en C/m3 (culombios por metrocúbico).

Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerposSe denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por uncuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes:1.1. 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 onegativamente si los ganó.

2.2. Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones sontransferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan concargas opuestas.

3. Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza derepulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos sedesplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una cargapositiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, lacarga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

4. Carga por el Efecto Fotoeléctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al serirradiado por luz u otra radiación electromagnética.

5. Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corrienteeléctrica continua.

6.6. Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor.

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Referencias[1] Calculado como 1/e, donde e es el valor de la carga elemental.

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

Fuentes y contribuyentes del artículo 7

Fuentes y contribuyentes del artículoCarga eléctrica  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=76649696  Contribuyentes: .Sergio, Aadrover, Acratta, Afrasiab, Aine Takarai, Airunp, Alefisico, Aleposta, Alhen, Alvaro qc,Alvarogonzalezsotillo, Ana.Lamas.UEM, Anassesduses, Angel GN, Antur, Antón Francho, Arhendt, Arjuno3, Axxgreazz, Bachi 2805, Baiji, Balles2601, Banfield, Barrin, Beaualcy, Berfito,Biasoli, Biohazard910, BlackBeast, Camilo, Carmin, Chanchocan, Charlitos, Chepecito, Claudia.valenzuelao, Coio81, Creosota, Cw88, DamiánDV, Davius, Desmond, Dianai, Diegusjaimes,Digigalos, Echani, Edc.Edc, Edehl09, Edslov, Eli22, Elliniká, Elquiqo01, Ener6, Ensada, Er Komandante, Esceptic0, Estebanmaxi, Feliciano, FrancoGG, Furti, Gafotas, Galandil, Gbsuar,Gdazerg, GermanX, Gsrdzl, Gustronico, Gutierrez Luis, Götz, HUB, Heliocrono, Heyman56, Hingelstein, Hispa, Hoo man, Hprmedina, Hugone, Humbefa, Humberto, Isha, JMCC1,Jesusjavierms, Jkbw, Jorge c2010, JorgeGG, Joseaperez, Joseluisap, Jpolar, Kabri, KnightRider, Kved, Lalo49, Laura Fiorucci, Leonpolanco, Lucien leGrey, MARC912374, MagisterMathematicae, Mahadeva, Maldoror, Manwë, Marcelo, MarcoAurelio, Martinuem, Matdrodes, Matiasasb, Mauro32625, Maveric149, Mdiagom, Mel 23, Mikaela Gómez, Milestones, Mmij,Montgomery, Moriel, Mortadelo2005, Mov0021, Muro de Aguas, Mutari, NaBUru38, Netito777, Neumotoraxiv, Nixón, Numbo3, Ortisa, Oscar ., PACO, Paintman, Pan con queso, Paulienator,PePeEfe, Petronas, Petruss, PhJ, Phirosiberia, Poco a poco, Ppfk, Ppja, Pólux, Ramon00, Ricardogpn, Rosarino, RoyFocker, Rαge, Savh, Sejomagno, Sergio Andres Segovia, Shrcolombia,Skoysergio, Soulreaper, SuperBraulio13, Superzerocool, Tano4595, Taty2007, Technopat, Tirithel, Tomatejc, Tostadora, Triku, UA31, Vitamine, Waka Waka, Xenoforme, Xsm34, Xuankar,Yeza, Youssefsan, Zerosxt, Zufs, 785 ediciones anónimas

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