Mutacin

Carga elctricaEn fsica, la carga elctrica es una propiedad intrnseca de algunas partculas subatmicas (perdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnticas entre ellas. La materia cargada elctricamente es influida por los campos electromagnticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interaccin entre carga y campo elctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interaccin electromagntica.

La carga elctrica es de naturaleza discreta, fenmeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones histricas, a los electrones se les asign carga negativa: 1, tambin 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 han podido observar libres en la naturaleza.[1]Unidades

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga elctrica se denomina culombio (smbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la seccin transversal de un conductor elctrico en un segundo, cuando la corriente elctrica es de un amperio, y se corresponde con la carga de 6,241018 electrones aproximadamente.

Historia

Artculo principal: Historia del electromagnetismo

Experimento de la cometa de Benjamn Franklin.

Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar mbar con una piel, sta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y pequeas semillas. Su descubrimiento se le atribuye al filsofo griego Tales de Mileto, quin vivi hace unos 2500 aos.[2]El mdico ingls William Gilbert (1540 - 1603) observ que algunos materiales se comportan como el mbar al frotarlos y que la atraccin que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, an cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al mbar es elektron, Gilbert comenz a utilizar el trmino elctrico para referirse a todo material que se comportaba como aqul, lo que origin los trminos electricidad y carga elctrica. Adems, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciacin de los fenmenos elctricos y magnticos.[2]El descubrimiento de la atraccin y repulsin de elementos al conectarlos con materiales elctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin Franklin quin al estudiar estos fenmenos descubri como la electricidad de los cuerpos, despus de ser frotados, se distribua en ciertos lugares donde haba ms atraccin; por eso los denomin (+) y (-).[2]Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrlisis que realiz Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relacin entre la electricidad y la materia; acompaado de la completa descripcin de los fenmenos electromagnticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrn 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 [editar]La carga elctrica es una propiedad intrnseca de la materia que se presenta de dos tipos. stas llevan ahora el nombre con las que Benjamin Franklin las denomin: cargas positivas y negativas.[3] Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Con el advenimiento de la teora cuntica relativista, se pudo demostrar formalmente que las partculas, adems de presentar carga elctrica (sea nula o no), presentan un momento magnetico intrnseco, denominado "spin", que surge como consecuencia de aplicar la teora de la relatividad especial a la mecnica cuntica.

Carga elctrica elemental [editar]Las investigaciones actuales de la fsica apuntan a que la carga elctrica es una propiedad cuantizada. La unidad ms elemental de carga se encontr que es la carga que tiene el electrn, es decir alrededor de 1.6 x 10-19 culombios y es conocida como carga elemental. El valor de la carga elctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide segn el nmero de electrones que posea en exceso o en ausencia.[4]En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga elctrica se denomina culombio (smbolo 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 9x109 N.

Un culombio corresponde a 6,241018 electrones.[5] El valor de la carga del electrn fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con la ltima lista de constantes del CODATA publicada es:[6]

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

1 miliculombio = 1 microculombio = Frecuentemente se usa tambin el sistema CGS cuya unidad de carga elctrica es el Franklin (Fr). El valor de la carga elemental es entonces de aproximadamente 4.803 x 1010 Fr.

Propiedades de la carga

Principio de conservacin de la carga

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservacin de la carga establece que no hay destruccin ni creacin neta de carga elctrica, y afirma que en todo proceso electromagntico la carga total de un sistema aislado se conserva.

En un proceso de electrizacin, el nmero total de protones y electrones no se altera y slo hay una separacin de las cargas elctricas. Por tanto, no hay destruccin ni creacin de carga elctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas elctricas donde antes no haba, pero siempre lo harn de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Adems esta conservacin es local, ocurre en cualquier regin del espacio por pequea que sea.[3]Al igual que las otras leyes de conservacin, la conservacin de la carga elctrica est asociada a una simetra del lagrangiano, llamada en fsica cuntica invariancia gauge. As por el teorema de Noether a cada simetra del lagrangiano asociada a un grupo uniparamtrico de transformaciones que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una magnitud conservada.[7] La conservacin de la carga implica, al igual que la conservacin de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuacin de continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga elctrica con la divergencia del vector densidad de corriente elctrica, dicha ecuacin expresa que el cambio neto en la densidad de carga dentro de un volumen prefijado V es igual a la integral de la densidad de corriente elctrica J sobre la superficie S que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente elctrica I:

Cuantizacin de la carga [editar]Gracias a los trabajos de Millikan al medir la carga elctrica del electrn, se demostr que la carga elctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que los valores que puede adquirir son mltiplos enteros de una cierta carga elctrica mnima.[8] Esta propiedad se conoce como cuantizacin de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga elctrica que posee el electrn y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista fsicamente, puede escribirse como siendo N un nmero entero, positivo o negativo.

Por convencin se representa a la carga del electrn como -e, para el protn +e y para el neutrn, 0. La fsica de partculas postula que la carga de los quarks, partculas 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 protn suma +e y en el neutrn suma 0.[9]Aunque no tenemos una explicacin suficientemente completa de porqu la carga es una magnitud cuantizada, que slo puede aparecer en mltiplos de la carga elemental, se han propuestos diversas ideas:

Paul Dirac mostr que si existe un monopolo magntico la carga elctrica debe estar cuantizada.

En el contexto de la teora de Kaluza-Klein, Oskar Klein encontr que si se interpretaba el campo electromagntico como un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topologa , entonces la compacidad de comportara que el momento lineal segn la quinta dimensin estara cuantizado y de ah se segua la cuantizacin de la carga.

La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya que el modelo estndar no aclara porqu las cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y slo pueden ser libres cargas que son mltiplos enteros de la carga elemental.

Invariante relativista [editar]Otra propiedad de la carga elctrica es que es un invariante relativista. Eso quiere decir que todos los observadores, sin importar su estado de movimiento y su velocidad, podrn siempre medir la misma cantidad de carga.[4] As, a diferencia de la masa o el tiempo, cuando un cuerpo o partcula se mueve a velocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variar. El valor de la carga no vara de acuerdo a cun rpido se mueva el cuerpo que la posea.

Densidad de carga elctrica [editar]pesar de que las cargas elctricas son cuantizadas y, por ende, mltiplos de una carga elemental, en ocasiones las cargas elctricas en un cuerpo estn tan cercanas entre s, que se puede suponer que estn distribuidas de manera uniforme por el cuerpo del cual forman parte. La caracterstica principal de estos cuerpos es que se los puede estudiar como s fueran continuos, lo que hace mas fcil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se distinguen tres tipos de densidad de carga elctrica: lineal, superficial y volumtrico.[10]Densidad de carga lineal [editar]Se usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.

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 [editar]Se emplea para superficies, por ejemplo una plancha metlica delgada como el papel de aluminio.

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 volumtrica [editar]Se emplea para cuerpos que tienen volumen.

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

Formas para cambiar la carga elctrica de los cuerpos

Artculo principal: ElectrizacinSe denomina electrizacin al efecto de ganar o perder cargas elctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo elctricamente neutro. Los tipos de electrificacin son los siguientes:

1. Electrizacin 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 as el conductor queda cargado, positivamente si cedi electrones o negativamente si los gan.

2. Electrizacin por friccin: 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 cargados.

3. Carga por induccin: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsin entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte ms alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la regin ms cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atraccin entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

4. Carga por el Efecto Fotoelctrico,

5. Carga por Electrlisis, y

6. Carga por Efecto Termoelctrico.