La
carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado
experimentalmente por Robert Millikan.
Por razones históricas, a los
electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada
–e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e.
A los quarks se les asigna carga
fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar
libres en la naturaleza.
Unidades
En el Sistema Internacional de
Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo
C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la sección
transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando
la corriente eléctrica es de un amperio, y se corresponde con
la carga de 6,241 509 × 1018 electrones aproximadamente.
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 Franklin las denominó:
cargas positivas y negativas.
Cuando cargas del mismo tipo
se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen.
Con el advenimiento de la teoría cuántica relativista, se pudo
demostrar formalmente que las partículas, además 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 mecánica cuántica.
Carga eléctrica elemental
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga
eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad más elemental
de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón,
es decir alrededor de:
1,602176487
× 10-19 culombios
y es conocida como carga elemental.
El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como
q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso
o en defecto.
En el Sistema Internacional de
Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo
C) y se define como 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:
6,241509 ×
1018 electrones.
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:
Como el culombio puede no ser
manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande,
se utilizan también sus submúltiplos:
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 proceso
electromagnético 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 harán de modo que la carga total
del sistema permanezca constante. Además esta conservación es
local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que
sea.
Al igual que las otras leyes
de conservación, la conservación de la carga eléctrica está
asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica
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. 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 V es igual a la integral de la densidad de corriente
eléctrica J sobre la superficie S que encierra el volumen, que
a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica I:
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 carga q 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.
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:
