Carga eléctrica

Una carga eléctrica es una cantidad física y una propiedad de la materia que hace que experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético. Hay dos tipos de carga eléctrica: positiva, transmitida por protones, y negativa, transmitida por electrones. Si la carga total es cero, se dice que es neutral. Las mismas cargas se repelen y las cargas opuestas se atraen. Estos hechos se conocen como la Primera Ley de la Electrostática y, a veces, se denominan la ley de las cargas eléctricas.

Cargo elemental

La unidad de carga más fundamental es la magnitud de la carga de un electrón o un protón, que se denota por e . El valor más preciso disponible es:

e = 1.602176487 x 10 ^-19 C

Un culombio representa el negativo de la carga total de unos 6 x 10 ¹⁸ electrones.

Raramente encontramos cargas tan grandes como un culombio. Las cargas producidas al frotar objetos ordinarios (como un peine o una regla de plástico) suelen rondar un microculombio (?C = 10 ^-6 C) o menos. En una bombilla normal de 100 W, por ejemplo, unas 10 ¹⁹ cargas elementales entran en la bombilla cada segundo y salen otras tantas.

El protón tiene carga + e y electrón -e . La carga está cuantificada; viene en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadas cargo elemental , e , que es la carga más pequeña que puede existir libremente (las partículas llamadas quarks tienen cargas más pequeñas, múltiplos de ⅓ e, pero solo se encuentran en combinación, y siempre se combinan para formar partículas con carga entera). El protón tiene una composición de quarks de uud, por lo que su número cuántico de carga es:

q(uud) = 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1e.

El neutrón tiene una composición de quarks de udd, por lo que su número cuántico de carga es:

q(dd) = 2/3 + (-1/3) + (-1/3) = 0

Dado que el neutrón no tiene carga eléctrica neta , no se ve afectado por las fuerzas eléctricas, pero el neutrón tiene una ligera distribución de carga eléctrica dentro de él. Esto es causado por su estructura interna de quarks. Esto da como resultado un momento magnético distinto de cero (momento dipolar) del neutrón. Por lo tanto, el neutrón interactúa también a través de la interacción electromagnética, pero mucho más débil que el protón.

Ley de conservación de la carga eléctrica

En física, hay dos principios muy importantes relacionados con la carga eléctrica.

En primer lugar está la ley de conservación de la carga eléctrica . Esta ley establece que:

La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante.

La única forma de cambiar la carga neta de un sistema es traer carga desde otro lugar o eliminar una carga del sistema. La carga se puede crear y destruir, pero solo en pares positivo-negativo.

Se cree que la conservación de la carga es una ley de conservación universal . Nunca se ha observado evidencia experimental de ninguna violación de este principio. En física de partículas, la conservación de la carga significa que en las reacciones de partículas elementales que crean partículas cargadas, siempre se crean cantidades iguales de partículas positivas y negativas, manteniendo la cantidad neta de carga sin cambios . Incluso en interacciones de alta energía en las que se crean y destruyen partículas, como la creación de pares positrón-electrón , la carga total de cualquier sistema cerrado es exactamente constante.

El segundo principio importante es:

La magnitud de la carga del electrón o protón es una unidad natural de carga.

Decimos que la carga está cuantizada . Es decir, cada cantidad observable de carga eléctrica es siempre un múltiplo entero de esta unidad básica. Esta unidad se denomina carga elemental , e , aproximadamente igual a 1,602 × 10 ⁻¹⁹ culombios (excepto las partículas llamadas quarks, que tienen cargas que son múltiplos enteros de 1⁄3 e ).

Carga Eléctrica de Antipartículas

Teóricamente, una partícula y su antipartícula (por ejemplo, un protón y un antiprotón) tienen la misma masa, pero carga eléctrica opuesta y otras diferencias en los números cuánticos. Por ejemplo, para cada quark hay un tipo correspondiente de antipartícula. Los antiquarks tienen la misma masa, tiempo de vida medio y giro que sus respectivos quarks, pero la carga eléctrica y otras cargas tienen el signo opuesto. Eso significa que un protón tiene carga positiva mientras que un antiprotón tiene carga negativa y, por lo tanto, se atraen entre sí. La antipartícula del electrón se llama positrón; es idéntico al electrón excepto que lleva cargas eléctricas y de otro tipo de signo opuesto. Cuando un electrón choca con un positrón, ambas partículas pueden ser totalmente aniquiladas, produciendo fotones de rayos gamma.

Ejemplo: Carga eléctrica

Cabe destacar que en cuatro litros de agua hay alrededor de 2,1 x 10 ⁸ C de carga total de electrones. Así, si colocamos dos botellas a un metro de distancia, los electrones de una de las botellas repelen a los de la otra botella con una fuerza de 4,1 x 10 ²⁶ N. Esta tremenda fuerza es comparable con la fuerza que pesaría el planeta Tierra si se pesara en otra Tierra. Ut, como se escribió, también hay positivos (protones) y estas cargas tienden a cancelarse entre sí.