carga eléctrica

La carga eléctrica (símbolo q , a veces Q ) es una propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético . La carga eléctrica puede ser positiva o negativa . Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen. ^{[ 1 ]} Un objeto sin carga neta se denomina eléctricamente neutro . El conocimiento inicial de cómo interactúan las sustancias cargadas se denomina ahora electrodinámica clásica y sigue siendo preciso para problemas que no requieren la consideración de efectos cuánticos .

En un sistema aislado, la carga total permanece constante: la diferencia entre la carga positiva y la negativa no varía con el tiempo. Los portadores de carga eléctrica incluyen partículas subatómicas . En la materia ordinaria, la carga negativa la portan los electrones y la carga positiva los protones en los núcleos de los átomos . Si una partícula tiene más electrones que protones, tendrá carga negativa; si tiene menos, tendrá carga positiva; y si tiene la misma cantidad, será neutra.

La carga está cuantizada : se presenta en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadas carga elemental , e , aproximadamente1,602 × 10 ⁻¹⁹  C , ^{[ 2 ]} que es la carga más pequeña que puede existir libremente. Las partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de ⁠ 1 / 3 ⁠ e , pero se encuentran solo combinadas en partículas que tienen una carga que es un múltiplo entero de e . En el Modelo Estándar , la carga es un número cuántico absolutamente conservado. El protón tiene una carga de + e , y el electrón tiene una carga de − e . Hoy en día, una carga negativa se define como la carga que lleva un electrón y una carga positiva es la que lleva un protón. Antes de que se descubrieran estas partículas, Benjamin Franklin definió una carga positiva como la carga que adquiere una varilla de vidrio cuando se frota con un paño de seda.

Las cargas eléctricas producen campos eléctricos . ^{[ 3 ]} Una carga en movimiento también produce un campo magnético . ^{[ 4 ]} La interacción de cargas eléctricas con un campo electromagnético (una combinación de un campo eléctrico y uno magnético) es la fuente de la fuerza electromagnética (o de Lorentz) , ^{[ 5 ]} que es una de las cuatro interacciones fundamentales en física . El estudio de las interacciones mediadas por fotones entre partículas cargadas se denomina electrodinámica cuántica . ^{[ 6 ]}

La unidad derivada del SI para la carga eléctrica es el culombio (C), que recibe su nombre del físico francés Charles-Augustin de Coulomb . En ingeniería eléctrica también se suele utilizar el amperio-hora (A·h). En física y química, se suele utilizar la carga elemental ( e ) como unidad. La química también utiliza la constante de Faraday , que es la carga de un mol de cargas elementales.

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 libres 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 − 1/3 o + 2/3 , pero se cree que siempre se presentan en múltiplos de la carga entera; nunca se han observado quarks libres.

Por convención , la carga de un electrón es negativa, −e , mientras que la de un protón es positiva, +e . Las partículas cargadas con el mismo signo se repelen, y las partículas con signos opuestos se atraen. La ley de Coulomb cuantifica la fuerza electrostática entre dos partículas al afirmar que la fuerza es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La carga de una antipartícula es igual a la de la partícula correspondiente, pero con signo opuesto.

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, ya que la materia está formada por átomos , y los átomos normalmente tienen el mismo número de protones y electrones , en cuyo caso sus cargas se anulan, dando como resultado una carga neta de cero, lo que hace que el átomo sea neutro.

Un ion es un átomo (o grupo de átomos) que ha perdido uno o más electrones, adquiriendo así una carga neta positiva (catión), o que ha ganado uno o más electrones, adquiriendo así 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 unidos entre sí, dando como resultado, en ambos casos, un ion con una carga neta positiva o negativa.

Campo eléctrico inducido por una carga eléctrica positiva (izquierda) y campo inducido por una carga eléctrica negativa (derecha).

Durante la formación de objetos macroscópicos, los átomos e iones constituyentes suelen combinarse para formar estructuras compuestas de compuestos iónicos neutros unidos eléctricamente a átomos neutros. Por lo tanto, los objetos macroscópicos tienden a ser neutros en su conjunto, pero rara vez son perfectamente neutros en términos de energía neta.

A veces, los objetos macroscópicos contienen iones distribuidos por todo el material, rígidamente unidos, lo que les confiere una carga neta positiva o negativa. Asimismo, los objetos macroscópicos hechos de elementos conductores pueden, con mayor o menor facilidad (dependiendo del elemento), captar o ceder electrones, manteniendo así una carga neta negativa o positiva indefinidamente. Cuando la carga eléctrica neta de un objeto es distinta de cero y permanece inmóvil, el fenómeno se conoce como electricidad estática . Esta se puede producir fácilmente frotando dos materiales diferentes, como ámbar con piel o vidrio con seda . De esta forma, los materiales no conductores pueden cargarse significativamente, ya sea positiva o negativamente. La carga extraída de un material se transfiere al otro, dejando una carga opuesta de la misma magnitud. La ley de conservación de la carga siempre se aplica, otorgando al objeto del que se extrae 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 forma no uniforme en él (por ejemplo, debido a un campo electromagnético externo o a moléculas polares ligadas). 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 en un objeto producida por electrones ganados o perdidos desde fuera del objeto se llama carga libre . El movimiento de electrones en metales conductores en una dirección específica se conoce como corriente eléctrica .

La unidad del SI para la cantidad de carga eléctrica es el culombio (símbolo: C). El culombio se define como la cantidad de carga que pasa a través de la sección transversal de un conductor eléctrico que transporta un amperio durante un segundo . ^{[ 7 ]} Esta unidad fue propuesta en 1946 y ratificada en 1948. ^{[ 7 ]} El símbolo q minúscula se usa a menudo para denotar una cantidad de carga eléctrica. La cantidad de carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro o indirectamente con un galvanómetro balístico .

La carga elemental se define como una constante fundamental en el SI. ^{[ 8 ]} El valor de la carga elemental, cuando se expresa en unidades del SI, es exactamente1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  C . ^{[ 2 ]}

Tras descubrir la naturaleza cuantizada de la carga, en 1891, George Stoney propuso la unidad «electrón» para esta unidad fundamental de carga eléctrica. Posteriormente, en 1897, J.J. Thomson descubrió la partícula que hoy llamamos electrón. Esta unidad se conoce actualmente como carga elemental , unidad fundamental de carga o simplemente e , siendo la carga de un electrón −e . La carga de un sistema aislado debería ser un múltiplo de la carga elemental e , incluso si a gran escala la carga parece comportarse como una magnitud continua. En algunos contextos, es útil hablar de fracciones de una carga elemental; por ejemplo, en el efecto Hall cuántico fraccionario .

La unidad faraday se utiliza a veces en electroquímica. Un faraday es la magnitud de la carga de un mol de cargas elementales, ^{[ 9 ]} es decir9.648 533 212 ... × 10 ⁴  C .

Desde la antigüedad, la gente estaba familiarizada con cuatro tipos de fenómenos que hoy se explicarían utilizando el concepto de carga eléctrica: (a) el rayo , (b) el pez torpedo (o raya eléctrica), (c) el fuego de San Telmo y (d) que el ámbar frotado con piel atraería objetos pequeños y ligeros. ^{[ 10 ]} El primer relato del efecto del ámbar se atribuye a menudo al antiguo matemático griego Tales de Mileto , que vivió entre c. 624 y c. 546 a. C., pero hay dudas sobre si Tales dejó algún escrito; ^{[ 11 ]} su relato sobre el ámbar se conoce a partir de un relato de principios del siglo III. ^{[ 12 ]} 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 tenían alma. ^{[ 12 ]} En otras palabras, no había ninguna indicación de ninguna concepción de carga eléctrica. En términos más generales, los antiguos griegos no comprendían 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 el tiempo suficiente, incluso podían obtener una chispa eléctrica , pero también se afirma que no se mencionan chispas eléctricas hasta finales del siglo XVII. ^{[ 13 ]} Esta propiedad deriva del efecto triboeléctrico . A finales del siglo XII, se observó que la sustancia jet , una forma compactada de carbón, tenía un efecto ámbar, ^{[ 14 ]} y a mediados del siglo XVI, Girolamo Fracastoro descubrió que el diamante también mostraba este efecto. ^{[ 15 ]} Fracastoro y otros, especialmente Gerolamo Cardano, hicieron algunos esfuerzos para desarrollar explicaciones para este fenómeno. ^{[ 16 ]}

A diferencia de la astronomía , la mecánica y la óptica , que se habían estudiado cuantitativamente desde la antigüedad, el inicio de la investigación cualitativa y cuantitativa continua sobre los fenómenos eléctricos puede marcarse con la publicación de De Magnete por el científico inglés William Gilbert en 1600. ^{[ 17 ]} En este libro, había una pequeña sección donde Gilbert volvía al efecto ámbar (como él lo llamaba) al abordar muchas de las teorías anteriores, ^{[ 16 ]} y acuñó la palabra neolatina electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), la palabra griega para ámbar ). La palabra latina se tradujo al inglés como electrics . ^{[ 18 ]} A Gilbert también se le atribuye el término eléctrico , mientras que el término electricidad surgió más tarde, atribuido por primera vez a Sir Thomas Browne en su Pseudodoxia Epidemica de 1646. ^{[ 19 ]} (Para más detalles lingüísticos, véase Etimología de electricidad ). Gilbert hipotetizó que este efecto ámbar podría explicarse por un efluvio (una pequeña corriente de partículas que fluye del 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 precursora de las ideas desarrolladas en el siglo XVIII sobre el "fluido eléctrico" (Dufay, Nollet, Franklin) y la "carga eléctrica". ^{[ 20 ]}

Hacia 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. ^{[ 21 ]} Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle , quien en 1675 publicó el primer libro en inglés dedicado exclusivamente a los fenómenos eléctricos. ^{[ 22 ]} Su trabajo fue en gran medida una repetición de los estudios de Gilbert, pero también identificó varios "eléctricos" más, ^{[ 23 ]} y notó la atracción mutua entre dos cuerpos. ^{[ 22 ]}

En 1729, Stephen Gray experimentaba con electricidad estática , que generaba mediante un tubo de vidrio. Observó que un corcho, utilizado para proteger el tubo del polvo y la humedad, también se electrificaba (cargaba). Experimentos posteriores (por ejemplo, alargando el corcho insertando varillas delgadas) demostraron —por primera vez— que la efluviosidad eléctrica (como la llamaba Gray) podía transmitirse (conducirse) a distancia. Gray logró transmitir carga con cordel (765 pies) y alambre (865 pies). ^{[ 24 ]} Mediante estos experimentos, Gray descubrió la importancia de los diferentes materiales, que facilitaban o dificultaban la conducción de la efluviosidad eléctrica. A John Theophilus Desaguliers , quien repitió muchos de los experimentos de Gray, se le atribuye la acuñación de los términos conductores y aislantes para referirse a los efectos de los diferentes materiales en estos experimentos. ^{[ 24 ]} Gray también descubrió la inducción eléctrica (es decir, la transmisión de carga de un objeto a otro sin contacto físico directo). Por ejemplo, demostró que al acercar un tubo de vidrio cargado a un trozo de plomo sostenido por un hilo, pero sin tocarlo, era posible electrificar el plomo (por ejemplo, para atraer y repeler limaduras de latón). ^{[ 25 ]} Intentó explicar este fenómeno con la idea de efluvios eléctricos. ^{[ 26 ]}

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, abrió la posibilidad teórica de que esta propiedad no estuviera inseparablemente conectada a los cuerpos que se electrificaban por frotamiento. ^{[ 27 ]} 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 ), mostrando que más o menos todas las sustancias podían ser 'electrificadas' por frotamiento, excepto los metales y los fluidos ^{[ 28 ]} y propuso que la electricidad viene en dos variedades que se cancelan entre sí, lo que expresó en términos de una teoría de dos fluidos. ^{[ 29 ]} Cuando se frotaba vidrio con seda , du Fay dijo que el vidrio se cargaba con electricidad vítrea , y, cuando se frotaba ámbar con piel, el ámbar se cargaba con electricidad resinosa . En la concepción contemporánea, la carga positiva se define ahora como la carga de una varilla de vidrio después de ser frotada con un paño de seda, pero es arbitrario qué tipo de carga se denomina positiva y cuál negativa. ^{[ 30 ]} Otra importante teoría de dos fluidos de esta época fue propuesta por Jean-Antoine Nollet (1745). ^{[ 31 ]}

Hasta aproximadamente 1745, la principal explicación de la atracción y repulsión eléctrica era la idea de que los cuerpos electrificados emitían un efluvio. ^{[ 32 ]} Benjamin Franklin comenzó experimentos eléctricos a finales de 1746, ^{[ 33 ]} y para 1750 había desarrollado una teoría de la electricidad de un solo fluido , basada en un experimento que demostró que un vidrio frotado recibía la misma, pero opuesta, fuerza de carga que el paño utilizado para frotar el vidrio. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Franklin imaginó la electricidad como un tipo de fluido invisible presente en toda la materia y acuñó el término carga (así como batería y algunos otros ^{[ 35 ]} ); por ejemplo, creía que era el vidrio en una botella de Leyden el que contenía la carga acumulada. Postuló que frotar superficies aislantes entre sí hacía 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 de fluido estaba cargada positivamente y cuando tenía un déficit estaba cargada negativamente . Identificó el término positivo con la electricidad vítrea y negativo con la electricidad resinosa después de realizar un experimento con un tubo de vidrio que había recibido de su colega extranjero Peter Collinson. El experimento consistía en que el participante A cargara el tubo de vidrio y el participante B recibiera una descarga en el nudillo del tubo cargado. Franklin identificó que el participante B estaba cargado positivamente después de haber recibido la descarga del tubo. ^{[ 36 ]} Existe cierta ambigüedad sobre si William Watson llegó de forma independiente a la misma explicación de un solo fluido aproximadamente al mismo tiempo (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. ^{[ 37 ]} 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 teoría de Franklin. ^{[ 38 ]} Un físico sugiere que Watson propuso primero una teoría de un solo fluido, que Franklin luego elaboró ​​más y de manera más influyente. ^{[ 39 ]} Un historiador de la ciencia sostiene que Watson pasó por alto una sutil diferencia entre sus ideas y las de Franklin, por lo que Watson malinterpretó sus ideas como similares a las de Franklin. ^{[ 40 ]}En cualquier caso, no existía animosidad entre Watson y Franklin, y el modelo de Franklin sobre la acción eléctrica, formulado a principios de 1747, acabó siendo ampliamente aceptado en aquella época. ^{[ 38 ]} Tras el trabajo de Franklin, rara vez se propusieron explicaciones basadas en efluvios. ^{[ 41 ]}

Ahora se sabe que el modelo de Franklin era fundamentalmente correcto. Solo existe un tipo de carga eléctrica y solo se requiere una variable para llevar un registro de la cantidad de carga. ^{[ 42 ]}

Hasta 1800, solo era posible estudiar la conducción de carga eléctrica mediante 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. ^{[ 43 ]}

En 1833, Michael Faraday intentó eliminar cualquier duda de que la electricidad es idéntica, independientemente de la fuente por la que se produzca. ^{[ 44 ]} Analizó diversas formas conocidas, que caracterizó como electricidad común (por ejemplo, electricidad estática , piezoelectricidad , inducción magnética ), electricidad voltaica (por ejemplo, corriente eléctrica de una pila voltaica ) y electricidad animal (por ejemplo, bioelectricidad ).

En 1838, Faraday planteó la cuestión de si la electricidad era un fluido o varios fluidos, o una propiedad de la materia, como la gravedad. Investigó si la materia podía cargarse con un tipo de carga independientemente de la otra. ^{[ 45 ]} Llegó a la conclusión de que la carga eléctrica era una relación entre dos o más cuerpos, ya que no podía cargar un cuerpo sin que otro cuerpo tuviera una carga opuesta. ^{[ 46 ]}

En 1838, Faraday también propuso una explicación teórica de la fuerza eléctrica, aunque expresó neutralidad respecto a si se originaba en uno, dos o ningún fluido. ^{[ 47 ]} Se centró en la idea de que el estado normal de las partículas es no polarizado, y que cuando se polarizan, tienden a regresar 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 dejó de considerar la carga eléctrica como una sustancia especial que se acumula en los objetos y comenzó a comprenderla como una consecuencia de la transformación de la energía en el campo. ^{[ 48 ]} Esta comprensión precuántica consideraba la magnitud de la carga eléctrica como una cantidad continua, incluso a nivel microscópico. ^{[ 48 ]}

La electricidad estática se refiere a la carga eléctrica de un objeto y a la descarga electrostática que se produce cuando dos objetos que no están en equilibrio se encuentran en contacto. Una descarga electrostática genera un cambio en la carga de cada uno de los dos objetos.

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 muchos casos, basta con hablar de la corriente convencional , independientemente de 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. Esta perspectiva macroscópica es una aproximación que simplifica los conceptos y cálculos electromagnéticos.

En el extremo opuesto, si se observa la situación microscópica, se ve que hay muchas maneras de transportar una corriente eléctrica , entre ellas: un flujo de electrones; un flujo de huecos de electrones que actúan como partículas positivas; y partículas tanto negativas como positivas ( iones u otras partículas cargadas) que fluyen en direcciones opuestas en una solución electrolítica o un plasma .

La dirección de la corriente convencional en la mayoría de los cables metálicos es opuesta a la velocidad de deriva de los portadores de carga reales; es decir, los electrones.

La carga eléctrica total de un sistema aislado permanece constante independientemente de los cambios dentro del propio sistema. ^{[ 50 ] : 4} Esta ley es inherente a todos los procesos conocidos por la física y puede derivarse en una forma local a partir de la invariancia de gauge de la función de onda . La conservación de la carga resulta en la ecuación de continuidad carga-corriente . Más generalmente, la tasa de cambio en la densidad de carga ρ dentro de un volumen de integración V es igual a la integral de área 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 :

${\displaystyle -{\frac {d}{dt}}\int _{V}\rho \,\mathrm {d} V=}$${\displaystyle \scriptstyle \partial V}$${\displaystyle \mathbf {J} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =\int J\mathrm {d} S\cos \theta =I.}$

Así, la conservación de la carga eléctrica, tal como se expresa en la ecuación de continuidad, da como resultado:

${\displaystyle I=-{\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}.}$

El cargo transferido entre tiempos${\displaystyle t_{\mathrm {i} }}$y${\displaystyle t_{\mathrm {f} }}$se obtiene integrando ambos lados:

${\displaystyle q=\int _{t_{\mathrm {i} }}^{t_{\mathrm {f} }}I\,\mathrm {d} t}$

donde I es la corriente neta saliente a través de una superficie cerrada y q es la carga eléctrica contenida dentro del volumen definido por la superficie.

Además de las propiedades descritas en artículos sobre electromagnetismo , la carga eléctrica es un invariante relativista . Esto significa que cualquier partícula con carga eléctrica q tiene la misma carga eléctrica independientemente de su velocidad. Esta propiedad se ha verificado experimentalmente demostrando que la carga eléctrica de un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo y moviéndose a gran velocidad) es la misma que la de dos núcleos de deuterio (un protón y un neutrón unidos, pero moviéndose mucho más lentamente que si estuvieran en un núcleo de helio). ^{[ 51 ] [ 52 ]}

• Unidades electromagnéticas del SI
• Carga de color
• Carga parcial
• El positrón o antielectrón es una antipartícula o antimateria contraparte del electrón.

• Contenido multimedia relacionado con la carga eléctrica en Wikimedia Commons.
• ¿Con qué rapidez se disipa una carga?