Carga eléctrica
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Formulación covariante Tensor electromagnético ( tensor de tensión-energía)
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La carga eléctrica es una propiedad fundamental conservada de algunos partículas subatómicas, que determina su interacción electromagnética . Eléctricamente cargada materia está influenciado por, y produce, campos electromagnéticos. La interacción entre una carga en movimiento y un campo electromagnético es la fuente de la fuerza electromagnética , que es uno de los cuatro fuerzas fundamentales.
Visión de conjunto
La carga eléctrica es una característica de algunas partículas subatómicas, y se cuantifica cuando se expresa como un múltiplo de la llamada elemental e cargo. Los electrones por convención tener una carga de -1, mientras que los protones tienen carga opuesta de 1. Los quarks tienen una carga fraccionada de -1/3 o +2/3. La equivalentes antipartícula de estos tienen la carga opuesta. Hay otra partículas cargadas.
En general, las personas del mismo signo partículas cargadas se repelen entre sí, mientras que de diferente signo partículas cargadas se atraen. Esto se expresa cuantitativamente en la ley de Coulomb , que establece la magnitud de la fuerza de repulsión es proporcional al producto de las dos cargas, y debilita proporcionalmente al cuadrado de la distancia.
La carga eléctrica de una objeto macroscópico es la suma de las cargas eléctricas de sus partículas constituyentes. A menudo, la carga eléctrica neta es cero, ya que, naturalmente, el número de electrones en cada átomo es igual al número de los protones , por lo que sus cargos cancela. Situaciones en las que la carga neta es distinto de cero se denominan a menudo electricidad estática. Además, incluso cuando la carga neta es cero, que puede ser distribuido de manera no uniforme (por ejemplo, debido a una externa campo eléctrico ), y luego el material se dice que es polarizada, y la carga relacionada con la polarización es conocido como cargo obligado (mientras que el exceso de carga traída desde fuera se llama carga libre). Un movimiento ordenado de partículas cargadas en una dirección particular (en los metales, estos son los electrones) se conoce como corriente eléctrica. La naturaleza discreta de la carga eléctrica fue propuesto por Michael Faraday en sus experimentos de electrólisis, a continuación, demuestra directamente por Robert Millikan en su experimento la gota de aceite.
La Unidad del SI para cantidad de electricidad o carga eléctrica es el Coulomb, que representa aproximadamente 6,24 × 10 18 cargas elementales (la carga en un solo electrón o un protón). El coulomb se define como la cantidad de carga que ha pasado a través de la sección transversal de una conductor eléctrico que lleva uno amperios dentro de un segundo. El símbolo Q se usa a menudo para referirse a una cantidad de electricidad o carga. La cantidad de carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro, o indirectamente medido con una galvanómetro balístico.
Formalmente, una medida de la carga debe ser un múltiplo de la carga elemental e (carga es cuantizada), pero ya que es un promedio, cantidad macroscópica, muchos órdenes de magnitud más grande que una sola carga elemental, se pueden tomar de manera efectiva en cualquier valor real . Además, en algunos contextos, tiene sentido hablar de fracciones de un cargo; por ejemplo, en el cobro de una capacitor.
Historia
Según ha informado el antiguo filósofo griego Tales de Mileto alrededor 600 aC, cargo (o electricidad) podrían ser acumulados por el roce piel en diversas sustancias, como el ámbar . Los griegos observaron que los botones de ámbar cargadas podrían atraer objetos ligeros como cabello. También señalaron que si se frota el ámbar durante el tiempo suficiente, podrían incluso obtener una chispa para saltar. Esta propiedad se deriva de la efecto triboeléctrica.
En 1600 el científico Inglés William Gilbert volvió al tema en De Magnete, y acuñó el Nueva palabra electricus América del ηλεκτρον (elektron), la palabra griega que significa "ámbar", que pronto dio lugar a las palabras en inglés "eléctrico" y "electricidad". Fue seguido en 1660 por Otto von Guericke, que inventó lo que probablemente fue la primera generador electrostático. Otros pioneros europeos fueron Robert Boyle , quien en 1675 declaró que la atracción y la repulsión eléctrica pueden actuar a través de un vacío; Stephen Gray, que en 1729 materiales clasificados como conductores y aisladores; y CF du Fay, quien propuso en 1733 que la electricidad se produjo en dos variedades que cancelan entre sí, y se expresa en términos de una teoría de dos fluidos. Cuando el vidrio se frota con seda, du Fay dijo que el vidrio estaba cargada de electricidad vítrea, y cuando ámbar se frotó con la piel, el ámbar se decía que era cargado con electricidad resinosa. En 1839 Michael Faraday mostró que la aparente división entre la electricidad estática, electricidad actual y bioelectricidad era incorrecta, y todos eran una consecuencia del comportamiento de una sola especie de electricidad que aparece en polaridades opuestas. Es arbitrario que la polaridad se llama positiva y que se llama negativo. La carga positiva se puede definir como la carga a la izquierda en una varilla de vidrio después de ser frotado con seda.
Uno de los mayores expertos en electricidad en el siglo 18 fue Benjamin Franklin , quien argumentó a favor de una teoría de un fluido de electricidad. Franklin imaginó electricidad como un tipo de fluido presente en toda la materia invisible; por ejemplo, que él creía que era el vidrio en un Botella de Leyden que sostenía la carga acumulada. Se postula que las superficies aislantes frotando juntos causaron este fluido para cambiar de ubicación, y que un flujo de este líquido constituye una corriente eléctrica. También planteó que cuando la materia contenía muy poco del líquido que era "negativa" cargada, y cuando tuvo un exceso fue "positiva" cargada. Arbitrariamente (o por una razón que no se grabó) identificó el término "positivo" con la electricidad vítrea y "negativo" con la electricidad resinosa. William Watson llegó a la misma explicación más o menos al mismo tiempo.
Ahora sabemos que el modelo de Franklin / Watson era fundamentalmente correcta. Sólo hay un tipo de carga eléctrica, y sólo se requiere una variable para realizar un seguimiento de la cantidad de carga. Por otro lado, el hecho de saber la carga no es una descripción completa de la situación. La materia está compuesta por varios tipos de partículas cargadas eléctricamente, y estas partículas tienen muchas propiedades, no sólo de carga.
Los portadores de carga más comunes son la carga positiva del protón y la carga negativa de electrones . El movimiento de cualquiera de estas partículas cargadas constituye una corriente eléctrica. En muchas situaciones, es suficiente para hablar de la corriente convencional sin tener en cuenta si se realiza por cargas positivas que se mueven en la dirección de las cargas negativas actuales y / o por convencionales que se mueven en la dirección opuesta. Este punto de vista macroscópico es una aproximación que simplifica conceptos electromagnéticos y cálculos.
En el extremo opuesto, si se atiende a la situación microscópica, uno ve que hay muchas formas de llevar a un corriente eléctrica, que incluye: un flujo de electrones; un flujo de electrones "agujeros" que actúan como partículas positivas; y ambos partículas negativas y positivas ( iones u otras partículas cargadas) que fluyen en direcciones opuestas en una electrolítico solución o un plasma ).
Tenga en cuenta que en el caso común e importante de alambres metálicos, la dirección de la corriente convencional es opuesta a la velocidad de desplazamiento de los portadores de carga reales, es decir, los electrones. Esta es una fuente de confusión para los principiantes.
Propiedades
| Sabor en la física de partículas |
Sabor números cuánticos:
Números cuánticos relacionados:
Combinaciones:
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Aparte de las propiedades descritas en artículos sobre el electromagnetismo , la carga es un relativista invariante. Esto significa que cualquier partícula que tiene carga q, no importa lo rápido que va, siempre tiene una carga q. Esta propiedad ha sido verificado experimentalmente, mostrando que la carga de uno de helio núcleo (dos protones y dos neutrones unidos en un núcleo y moviéndose a altas velocidades) es el mismo que dos núcleos de deuterio (un protón y un neutrón unidos, sino que se mueven mucho más lentamente de lo que lo harían si estuvieran en un núcleo de helio).
Conservación de la carga
La carga eléctrica total de una sistema aislado permanece constante independientemente de los cambios en el propio sistema. Esta ley es inherente a todos los procesos que se sabe que la física y puede derivar en una forma local de medidor de invariancia de la función de onda. La conservación de los resultados de carga en el cargo de la actual ecuación de continuidad. Más en general, el cambio neto en densidad de carga 
dentro de un volumen de la integración 
es igual a la integral sobre el área densidad de corriente 
en la superficie de la zona 
, Que es a su vez igual a la neta corriente 
:
Por lo tanto, la conservación de la carga eléctrica, según lo expresado por la ecuación de continuidad, da el resultado:
La carga transferida entre el tiempo de 
y 
se obtiene mediante la integración de ambos lados:
donde I es la corriente hacia el exterior red a través de una superficie cerrada y Q es la carga eléctrica contenida dentro del volumen definido por la superficie.
