Carga eléctrica

El equilibrio de torsión de Coulomb se utiliza para medir la fuerza entre cargas eléctricas.

La carga eléctrica es un tipo de carga física , escalar y con signo , responsable de una de las interacciones fundamentales de la materia , la interacción electromagnética y fuente del campo electromagnético . En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica es el culombio ( ${C}$ ${\ Displaystyle {C}}$ ${\ Displaystyle {C}}$ ) ^[1] .

Es una magnitud cuantificada, que existe solo con múltiples valores de una cantidad elemental que corresponde a la carga del protón y, cambiado de signo, a la del ' electrón '. La carga elemental , indicada con $Y$ ${\ Displaystyle e}$ $Y$ , inicialmente determinada por Robert Andrews Millikan entre 1910 y 1917, fue establecida exactamente por el sistema internacional en 2019 ^[2] en:

e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C} ={\frac {1\ \mathrm {C} }{6{,}241\,509\,074...\cdot 10^{18}}}

{\ Displaystyle e = 1 {,} 602 \, 176 \, 634 \ cdot 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {C} = {\ frac {1 \ \ mathrm {C}} {6 {,} 241 \ , 509 \, 074 ... \ cdot 10 ^ {18}}}}

{\ Displaystyle e = 1 {,} 602 \, 176 \, 634 \ cdot 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {C} = {\ frac {1 \ \ mathrm {C}} {6 {,} 241 \ , 509 \, 074 ... \ cdot 10 ^ {18}}}}

La cuantificación de la carga eléctrica.

Campo eléctrico inducido por una carga positiva.

Campo eléctrico inducido por una carga negativa.

Si no se consideran los quarks , no se ha descubierto ningún objeto que tenga una carga inferior a la del electrón y por ello su valor se considera la unidad fundamental de carga eléctrica, ya que todas las cantidades de carga son sus múltiplos. Sin embargo, según el modelo estándar , las cargas más pequeñas son ± e / 3 y ± 2 e / 3, típicas, por ejemplo, del quark down y del quark up respectivamente. Los otros quarks, de mayor masa, también tienen las mismas cargas.

Aunque los quarks llevan una carga eléctrica, debido a la alta intensidad de la fuerte fuerza nuclear que los mantiene unidos, observar un quark libre requiere una energía extremadamente alta que solo recientemente ha estado al alcance de los aceleradores de partículas. Se cree que es posible tener un plasma de quarks y gluones libres a unos 150 GeV , más o menos 1 × 10 ¹² K ; Los físicos intentan lograr esto colisionando núcleos pesados, como el oro , a energías de aproximadamente 100 GeV por nucleón .

El electron

El mismo tema en detalle: Electron .

El electrón es una partícula subatómica que tiene una masa en reposo de 9.1093826 (16) × 10 ⁻³¹ kg , igual a aproximadamente 1/1836 de la del protón . El momento angular intrínseco, o espín , es un valor semi-entero igual a 1/2 en unidades de ħ , lo que hace que el electrón sea un fermión , por lo tanto sujeto al principio de exclusión de Pauli . La antipartícula del electrón es el positrón , que sólo se diferencia por la carga eléctrica de signo opuesto; cuando estas dos partículas chocan, pueden difundirse y aniquilarse produciendo fotones , más precisamente 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 ; ^[3] el término electrón fue acuñado posteriormente en 1894 por el físico irlandés George Johnstone Stoney , y fue reconocido como una partícula por Joseph John Thomson y su equipo de investigación. ^[4] ^[5] Posteriormente, su hijo George Paget Thomson demostró la naturaleza doble corpuscular y ondulatoria del electrón, que luego es descrita por la mecánica cuántica mediante el dualismo onda-partícula .

Los electrones, junto con los protones y neutrones , son parte 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 . ^[6]

La mayoría de los electrones presentes en el universo se crearon durante el Big Bang , aunque esta partícula puede generarse mediante la desintegración beta de isótopos radiactivos y en colisiones de alta energía, mientras que puede ser aniquilada gracias a la colisión con el positrón y absorbida en un proceso de nucleosíntesis estelar .

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

El advenimiento de la ' electrónica , de la que nació la' computadora , 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 láseres .

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).

Conservación de carga eléctrica

El mismo tema en detalle: Ley de conservación de la carga eléctrica y Ecuación de continuidad .

La carga eléctrica es una cantidad física conservadora, es decir, la carga eléctrica total de un sistema físico aislado permanece constante. Esta es una ley experimental fundamental de la naturaleza, ya que nunca ha sido violada. Otro supuesto es que la conservación es local, es decir , se cumple el teorema de Noether (ver también la ley de conservación ). Afirma que el cambio en la densidad de carga espacial $\rho$ ${\ Displaystyle \ rho}$ $\ rho$ dentro de un volumen $V.$ ${\ Displaystyle V}$ $V.$ se debe únicamente a que lo que cruza la superficie fronteriza de dicho volumen está en movimiento. La ecuación de continuidad para la carga eléctrica es, por tanto, la ecuación diferencial : ^[7]

\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {J} +{\frac {\mathrm {d} \rho }{\mathrm {d} t}}=0

{\ Displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {J} + {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} = 0}

{\ Displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {J} + {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} = 0}

Dónde está $\mathbf {J}$ ${\ Displaystyle \ mathbf {J}}$ $\ mathbf J$ es la densidad de corriente e $\rho$ ${\ Displaystyle \ rho}$ $\ rho$ la densidad de carga.

Usando el teorema de la divergencia obtenemos la forma integral:

I=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \operatorname {d} \!\mathbf {a} =-{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho \operatorname {d} \!V

{\ Displaystyle I = \ int _ {S} \ mathbf {J} \ cdot \ nombre del operador {d} \! \ mathbf {a} = - {\ frac {\ parcial} {\ parcial t}} \ int _ {V } \ rho \ operatorname {d} \! V}

{\ Displaystyle I = \ int _ {S} \ mathbf {J} \ cdot \ nombre del operador {d} \! \ mathbf {a} = - {\ frac {\ parcial} {\ parcial t}} \ int _ {V } \ rho \ operatorname {d} \! V}

Dónde está $LOS$ ${\ Displaystyle I}$ $LOS$ es la corriente eléctrica .

La ecuación de continuidad se considera en las ecuaciones de Maxwell para corregir la ley de Ampère extendiendo su validez al caso no estacionario. De hecho, aplicando el operador de divergencia al cuarto (con la corrección de Maxwell):

\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {\nabla } \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {J} +\varepsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} }{\partial t}}

{\ Displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {\ nabla} \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {J} + \ varepsilon _ {0 } \ mu _ {0} {\ frac {\ parcial \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {E}} {\ parcial t}}}

{\ mathbf \ nabla} \ cdot {\ mathbf \ nabla} \ times {\ mathbf B} = \ mu _ {0} {\ mathbf \ nabla} \ cdot {\ mathbf J} + \ varepsilon _ {0} \ mu _ {0} {\ frac {\ parcial {\ mathbf \ nabla} \ cdot {\ mathbf E}} {\ parcial t}}

y reemplazando el primero dentro de él:

\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}

{\ Displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {E} = {\ frac {\ rho} {\ varepsilon _ {0}}}}

\ mathbf \ nabla \ cdot \ mathbf E = \ frac {\ rho} {\ varepsilon_0}

se obtiene la ecuación de continuidad.

Notación relativista

El mismo tema en detalle: Quadricurrent .

La ecuación de continuidad se puede escribir de una manera muy simple y compacta usando notación relativista . En este contexto, se define la densidad de corriente de cuatro vectores , cuyo componente de tiempo es la densidad de carga y el componente espacial es el vector de densidad de corriente:

J^{\mu }=(c\rho ,\mathbf {J} )

{\ Displaystyle J ^ {\ mu} = (do \ rho, \ mathbf {J})}

J ^ \ mu = (c \ rho, \ mathbf J)

De esta forma la ecuación de continuidad se convierte en: ^[8]

\partial _{\mu }J^{\mu }=0

{\ Displaystyle \ parcial _ {\ mu} J ^ {\ mu} = 0}

\ parcial_ \ mu J ^ \ mu = 0

Dónde está $\partial _{\mu }$ ${\ estilo de visualización \ parcial _ {\ mu}}$ $\ parcial_ \ mu$ es el cuadrigradiente , dado por:

\partial _{\mu }\ =\left({\frac {1}{c}}{\frac {\partial }{\partial t}},\nabla \right)

{\ estilo de visualización \ parcial _ {\ mu} \ = \ izquierda ({\ frac {1} {c}} {\ frac {\ parcial} {\ parcial t}}, \ nabla \ derecha)}

\ parcial_ \ mu \ = \ izquierda (\ frac {1} {c} \ frac {\ parcial} {\ parcial t}, \ nabla \ derecha)

La ecuación de continuidad también se puede escribir como:

J^{a}{}_{,a}=0

{\ Displaystyle J ^ {a} {} _ {, a} = 0}

J ^ a {} _ {, a} = 0

Dónde está $;$ ${\ Displaystyle;}$ $;$ denota la derivada covariante .

Nota

^ http://www.hiru.com/es/fisika/fisika_03000.html%7C La carga eléctrica
^ http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre: carga elemental . 2006
^ Arabatzis , págs. 70-74.
^ Dahl , págs. 122-185.
^ Wilson , pág. 138.
^ Pauling , págs. 4-10.
^ Mencuccini, Silvestrini , página 175 .
^ Jackson , página 554 .

Bibliografía

Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Physics II , Nápoles, Liguori Editore, 2010, ISBN 978-88-207-1633-2 .
( EN ) John D Jackson, Electrodinámica clásica , 3ra edición, Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X .
Jerry D. Wilson, Antony J. Buffa, Física 3 , Milán, Principado, 2000, ISBN 88-416-5803-7
( EN ) Linus C. Pauling , La naturaleza del enlace químico y la estructura de moléculas y cristales: una introducción a la química estructural moderna , 3ª ed., Cornell University Press, 1960, ISBN 0-8014-0333-2 . Consultado el 29 de marzo, 2010.
( EN ) Per F. Dahl, Flash of the Cathode Rays: A History of JJ Thomson's Electron , CRC Press, 1997, ISBN 0-7503-0453-7 . Consultado el 1 de abril de 2010 .
( EN ) Theodore Arabatzis, Representación de electrones: un enfoque biográfico de entidades teóricas , University of Chicago Press, 2006, ISBN 0-226-02421-0 . Consultado el 1 de abril de 2010 .

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enlaces externos

( EN ) Carga eléctrica , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

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[1] ttp://www.hiru.com/es/fisika/fisika_03000.html%7C La carga eléctrica

[2] ttp://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre: carga elemental . 2006

[arabatzis-3] Arabatzis , págs. 70-74.

[4] Dahl , págs. 122-185.

[wilson-5] Wilson , pág. 138.

[Pauling-6] Pauling , págs. 4-10.

[7] Mencuccini, Silvestrini , página 175 .

[8] Jackson , página 554 .

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