Unidades SI | culombio (C) |
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Otras unidades | amperio-hora (Ah) |
Dimensión | ESO |
Base SI | Para s |
Naturaleza | Tamaño escalar conservador extenso |
Símbolo habitual | Q , q |
Enlace a otros tamaños | dq / dt = I ; q = n * e |
La carga eléctrica es una propiedad fundamental del material que le permite interactuar a través de campos electromagnéticos . Se trata de una cantidad escalar , que juega para la interacción electromagnética el mismo papel que la masa para la interacción gravitacional . Sin embargo, a diferencia de estas últimas, existen dos tipos de cargas eléctricas, que se pueden distinguir por sus signos, positivos o negativos. Las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las de signos opuestos se atraen. En la materia ordinaria, existe un equilibrio entre cargas positivas y negativas, hablamos de neutralidad eléctrica .
La unidad de medida habitual para la carga es el culombio (C) . Sin embargo, en algunos contextos, a veces se utilizan otras unidades como el amperio-hora ( A h ).
La carga eléctrica se conserva siempre y constituye una propiedad esencial de las partículas elementales sometidas a interacción electromagnética. La materia cargada eléctricamente está influenciada por campos electromagnéticos y los produce. Desde el experimento de Millikan en 1909, se ha demostrado que la carga eléctrica está cuantificada : cualquier carga Q es un múltiplo entero de la carga elemental , denotada e , que corresponde al valor absoluto de la carga del electrón con e ≈ 1,602 × 10 -19 C . Sin embargo, debido a la pequeñez de este valor, a menudo es posible ver la carga como una cantidad continua cuando se consideran cantidades macroscópicas de cargas. En electrónica, la naturaleza discreta de la carga eléctrica se manifiesta, sin embargo, por un tipo particular de ruido llamado " ruido de disparo ".
La carga eléctrica es una noción abstracta, comparable a la de masa , que ayuda a explicar ciertos comportamientos. A diferencia de la masa, la carga eléctrica puede adoptar dos formas, que la experiencia lleva a considerar como "opuestas"; se les llama arbitrariamente "positivos" y "negativos".
Dos cargas de la misma naturaleza, dos cargas positivas por ejemplo, se repelen, mientras que dos cargas de naturaleza opuesta se atraen entre sí. Este fenómeno se llama interacción electromagnética.
La interacción entre cargas y un campo electromagnético es la fuente de una de las cuatro fuerzas fundamentales . Estos campos electromagnéticos, en la mecánica clásica , obedecen a las ecuaciones de Maxwell .
La carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro . Su unidad es el culombio . Las partículas observadas tienen cargas que son múltiplos enteros de la carga elemental que es una constante física fundamental (a excepción de las partículas llamadas quark que tienen una carga eléctrica correspondiente a un número entero multiplicado por e / 3). Los quarks tienen cargas fraccionarias de -1/3 o +2/3, pero nunca se han observado quarks libres. La razón teórica que se presenta para explicar esta observación es la libertad asintótica . Robert Millikan demostró la naturaleza discreta de la carga eléctrica en el experimento que lleva su nombre .
La carga eléctrica fue descubierta por los antiguos griegos, quienes encontraron que la fricción del pelaje sobre diversas sustancias, como el ámbar , producía un desequilibrio de carga eléctrica (fenómeno triboeléctrico ). Los griegos señalan que los botones de color ámbar cargados podrían atraer objetos ligeros como el cabello. También notan que si frotan el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso pueden obtener un brillo. La palabra "electricidad" deriva de " ηλεκτρον ", la palabra griega para "ámbar".
En el XVIII ° siglo, el estudio de la electricidad se está volviendo popular. Se llevan a cabo experimentos electrostáticos durante los cuales, con la ayuda de dispositivos que actúan como condensadores como el vaso de Leyden , se alcanzan voltajes lo suficientemente altos como para causar conmociones cerebrales. Mediante una serie de experimentos (1733), el intendente de Fay distinguió dos tipos de electricidad: la electricidad vítrea (+) y la electricidad resinosa (-) correspondientes a los dos tipos de comportamiento de la materia durante una electrificación por fricción.
Al mismo tiempo, Benjamin Franklin imagina la electricidad como un tipo de fluido invisible presente en toda la materia. Supone que la fricción de las superficies aislantes pone en movimiento este fluido y que un flujo de este fluido constituye una corriente eléctrica . También asume que la materia que contiene muy poco de este fluido está cargada negativamente, de lo contrario cargada positivamente. Arbitrariamente, al menos por alguna razón desconocida para nosotros, identifica el término "positivo" con el tipo de carga que adquiere una varilla de vidrio frotada sobre seda , y "negativa" con la adquirida por una varilla de ámbar frotada con pelo . Quizás debido al potencial eléctrico de la materia.
Ahora sabemos que el modelo de Franklin era demasiado simple. En realidad, la materia está formada por dos tipos de electricidad: partículas llamadas " protones " que llevan una carga eléctrica positiva y partículas llamadas " electrones " que llevan una carga eléctrica negativa.
La corriente eléctrica puede tener varias causas: un flujo de partículas cargadas negativamente, por ejemplo, un conductor metálico, o un flujo de partículas positivas, o un flujo de partículas positivas y negativas en direcciones opuestas, por ejemplo en una solución iónica.
Para reducir esta complejidad, los electricistas todavía emplean la convención de Franklin e imaginan que la corriente eléctrica, conocida como "corriente convencional", consiste en un flujo de partículas exclusivamente positivas.
La corriente convencional simplifica conceptos y cálculos, pero enmascara el hecho de que en algunos conductores ( electrolitos , semiconductores y plasma ) los dos tipos de cargas eléctricas se mueven en direcciones opuestas, o que en los metales, las cargas negativas son casi exclusivamente responsables del flujo de Actual.
Aparte de las propiedades descritas sobre el electromagnetismo, la carga es una invariante de la teoría de la relatividad : una partícula de carga q , cualquiera que sea su velocidad , mantiene su carga q .
En el sistema internacional de unidades , la carga eléctrica tiene por unidades el culombio , símbolo C, que constituye una unidad derivada , cuyo nombre proviene del físico francés Charles-Augustin Coulomb . Por definición, es la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente eléctrica que tiene una intensidad de un amperio . En consecuencia 1 C = 1 A s , y la carga eléctrica Q tiene dimensiones [Q] = IT
En el contexto industrial o de ingeniería, el amperio-hora ( A h , también escrito amperio-hora ) o sus submúltiplos se usan comúnmente en lugar del culombio, por ejemplo, para indicar la capacidad de una batería, con 1 A h = 3600 C . La ventaja de esta unidad es poder evaluar rápidamente el tiempo de funcionamiento de una batería que entrega una corriente de una intensidad determinada, por ejemplo, una batería con una capacidad de 30 A h que entrega una corriente de 1 A teóricamente puede funcionar durante treinta horas, quince horas si la corriente es de 2 A , etc.
Resaltada en 1785 por el físico francés Charles-Augustin Coulomb, la ley de Coulomb permite expresar la fuerza ejercida por una carga eléctrica de valor sobre otra carga eléctrica de valor , ambas asumidas como puntuales y fijadas en el marco de referencia de estudio. .
La ley de Coulomb está escrita:
,con :
Claramente, si las cargas tienen el mismo signo, entonces la fuerza es repulsiva , mientras que por lo demás es atractiva.
La ley de Coulomb tiene una forma similar a la ley de Newton para la gravitación universal , que permite expresar la fuerza ejercida por una masa sobre otra masa , que se supone que es un punto, y que se escribe con las mismas convenciones que antes:
,con G constante de gravedad universal, G = 6.674 08 × 10 −11 m 3 kg −1 s −2 .
Al comparar las dos expresiones, está claro que las dos fuerzas varían inversamente con el cuadrado de la distancia, son ambas de rango infinito y que la carga eléctrica juega para la electrostática el mismo papel que la masa (gravitacional) para la gravitación universal. .
Sin embargo, deben tenerse en cuenta dos diferencias importantes: