Carga eléctrica
Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza.
HISTORIA
Experimento de la cometa deBenjamín Franklin.
Desde la Antigua Grecia se conoce que al
frotar ambar con una piel, ésta adquiere la propiedad
de atraer cuerpos ligeros tales como trozos
de paja yplumas pequeñas. Su descubrimiento se le
atribuye al filósofo griego Tales de Mileto (ca.
639-547 a.C.), quién vivió hace unos 2500 años.2
El médico inglés William Gilbert (1540-1603)
observó que algunos materiales se comportan como el ambar al
frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier
cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el
nombre griego correspondiente al ambar es elektron, Gilbert
comenzó a utilizar el término eléctrico para
referirse a todo material que se comportaba como aquél,
lo que originó los términos electricidad y carga
eléctrica. Ademas, en los estudios de Gilbert se puede encontrar
la diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.2
El descubrimiento de la atracción y repulsión
de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se
atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos
de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin
Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió
como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se
distribuía en ciertos lugares donde había mas
atracción; por eso los denominó (+) y (-).2
Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas
observaciones fueronplanteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre
laelectrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833,
y que le permitieron descubrir la relación entre
la electricidad y la materia; acompañado de la completa
descripción de los fenómenos electromagnéticos
por James Clerk Maxwell.
Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir
el electrón 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
La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de
la materia que se presenta en dos tipos. Éstas llevan ahora el
nombre con las que Benjamin Franklinlas denominó: 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
teoría cuantica relativista, se pudo demostrar formalmente que
las partículas, ademas de presentar carga eléctrica (sea
nula o no), presentan un momento magnético
intrínseco, denominado espín, que surge como consecuencia de aplicar la teoría
de la relatividad especial a la mecanica cuantica.
Carga eléctrica elemental
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga
eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad mas
elemental de carga se encontró que es la carga que tiene
el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) ×
10-19 culombios y es conocida como carga elemental.4 El valor de la
carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se
mide según el númerode electrones que posea en exceso o en
defecto.5
Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el
valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee
el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier
cargaq que exista físicamente, puede escribirse
como siendo N un número entero, positivo o
negativo.
Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el
protón +e y para el neutrón, 0. La física
de partículas postula que la carga de los quarks, partículas
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 protón suma +e y en el neutrón
suma 0.6
Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de
porqué la carga es una magnitud cuantizada, que sólo puede
aparecer en múltiplos de la carga elemental, se han propuestos diversas
ideas
Paul Dirac mostró que si existe un monopolo
magnético la carga eléctrica debe estar cuantizada.
En el contexto de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar
Klein encontró que si se interpretaba el campo
electromagnético como
un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topología ,
entonces la compacidad de comportaría que el momento lineal
según la quinta dimensión estaría cuantizado y de
ahí se seguía la cuantización de la carga.
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga
eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se
definecomo la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre
otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×109 N.
Un culombio corresponde a la carga de
6,241 509 × 1018 electrones.7 El valor de la
carga del electrón fue determinado
entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y
en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con
la última lista de constantes del CODATA publicada es:4
Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser
demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:
1 miliculombio =
1 microculombio =
Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya unidad de
carga eléctrica es el Franklin (Fr). El valor de la carga
elemental es entonces de aproximadamente 4,803×10–10 Fr
Propiedades de las cargas
Principio de conservación de la carga
En concordancia con los resultados experimentales, el principio de
conservación de la carga establece que no hay destrucción ni
creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo
procesoelectromagnético la carga total de un sistema
aislado se conserva.
En un proceso de electrización, el
número total de protones y electrones no se altera, sólo existe
una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay
destrucción ni creación de carga
eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas
donde antes no había, pero siempre lo haran de modo que la carga
total del
sistema permanezca constante. Ademas esta conservación es local,
ocurre en cualquierregión del
espacio por pequeña que sea.3
Al igual que las otras leyes de conservación, la
conservación de la carga eléctrica esta asociada a una
simetría del lagrangiano,
llamada en física cuantica invariancia gauge. Así por
el teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano asociada
a un grupo uniparamétrico de transformaciones que dejan el lagrangiano
invariante le corresponde una magnitud conservada.8 La conservación
de la carga implica, al igual que la conservación de la masa, que en
cada punto del espacio se satisface una ecuación de
continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga
eléctrica con la divergencia del vector densidad de corriente
eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio neto en la
densidad de carga dentro de un volumen prefijado es igual
a la integral de la densidad de corriente
eléctrica sobre la superficie que encierra el
volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente
eléctrica :
Invariante relativista
Otra propiedad de la carga eléctrica es que es
un invariante relativista. Eso quiere decir que todos
los observadores, sin importar su estado de movimiento y
su velocidad, podran siempre medir la misma cantidad de
carga.5 Así, a diferencia del espacio, el tiempo,
la energía o el momento lineal, cuando un cuerpo o partícula
se mueve a velocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de
su carga no variara. El valor de la carga no
varía de acuerdo a cuan rapido se mueva el cuerpo que la
posea.
Densidad de cargaeléctrica
Se llama densidad de carga eléctrica a la cantidad de carga
eléctrica por unidad
de longitud, area o volumen que se encuentra
sobre una línea, una superficie o una región del
espacio, respectivamente. Por lo tanto se distingue en estos tres tipos de
densidad de carga.9 Se representaría con las letras
griegas lambda (λ), para densidad de carga
lineal, sigma (σ), para densidad de carga superficial
y ro (ρ), para densidad de carga volumétrica.
Puede haber densidades de carga tanto positivas como negativas. No se
debe confundir con la densidad de portadores de carga.
A pesar de que las cargas eléctricas son cuantizadas con q y, por ende,
múltiplos de una carga elemental, en ocasiones las cargas
eléctricas en un cuerpo estan tan cercanas entre sí, que
se puede suponer que estan distribuidas de manera uniforme por el cuerpo
del cual forman parte. La característica principal de estos cuerpos es
que se los puede estudiar como si fueran continuos, lo que
hace mas facil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se
distinguen tres tipos de densidad de carga eléctrica:
lineal, superficial y volumétrica.
Densidad de carga lineal
Se usa
en cuerpos lineales como,
por ejemplo hilos.
Donde es la carga encerrada en el cuerpo
y es la longitud. En el Sistema Internacional
de Unidades (SI) se mide en C/m (culombios por metro).
Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos
Artículo principal: Electrización
Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas
eléctricas,normalmente electrones,
producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de
electrificación son los siguientes
1. Electrización 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 así el conductor queda cargado, positivamente si cedió
electrones o negativamente si los ganó.
2. Electrización por fricción: 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 con
cargas opuestas.
3. Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a
un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y
los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se
desplacen a la parte mas alejada del conductor al cuerpo cargado,
quedando la región mas cercana con una carga positiva, lo que se
nota al haber una atracción 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 Fotoeléctrico: Sucede cuando se liberan
electrones en la superficie de un conductor al ser
irradiado por luz u otra radiación electromagnética.
5. Carga por Electrólisis: Descomposición química de
una sustancia, producida por el paso de una corriente
eléctrica continua.
6. Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por
la acción del
calor.
