Carga eléctrica

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 y es conocida como carga elemental, carga a la que en la 26ª Conferencia General de Pesas y Medidas se le ha asignado el valor exacto de 1,602 176 634 × 10^-19 C. 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.[8]

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 ${\displaystyle \ N\times e}$ 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.[9]

Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de por qué la carga es una magnitud cuantizada, que solo 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 ${\displaystyle {\mathcal {M}}\times S^{1}}$, entonces la compacidad de ${\displaystyle S^{1}\,}$ comportaría que el momento lineal según la quinta dimensión estaría cuantizado y de ahí se deducía la cuantización de la carga.

Un culombio corresponde a la carga de 6,241 509 074 × 10¹⁸ electrones.[10]

Las primeras determinaciones de la carga del electrón se llevaron a cabo entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan.

${\displaystyle e={\frac {1\ \mathrm {C} }{6,241509074\times 10^{18}}}=1,602176634\times 10^{-19}\ \mathrm {C} }$

Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:

1 miliculombio = ${\displaystyle {\frac {1\ \mathrm {C} }{1.000}}=1\ \mathrm {mC} }$

1 microculombio = ${\displaystyle {\frac {1\ \mathrm {C} }{1.000.000}}=1\ \mu \mathrm {C} }$

A veces 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.

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, solo 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.[7]

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.[11] 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 ${\displaystyle \rho }$ dentro de un volumen prefijado ${\displaystyle V}$ es igual a la integral de la densidad de corriente eléctrica ${\displaystyle J}$ sobre la superficie ${\displaystyle S}$ que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica ${\displaystyle I}$:

${\displaystyle -{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho \,dV=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \mathbf {dS} =I=-{\frac {\partial Q}{\partial t}}}$

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, podrán siempre medir la misma cantidad de carga.[8] 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 variará.

Se usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.

${\displaystyle \lambda ={\frac {Q}{L}}}$

Donde ${\displaystyle Q}$ es la carga encerrada en el cuerpo y ${\displaystyle L}$ es la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en C/m (culombios por metro).

Se emplea para superficies, por ejemplo una plancha metálica delgada como el papel de aluminio.

${\displaystyle \sigma ={\frac {Q}{S}}}$

Donde ${\displaystyle Q}$ es la carga encerrada en el cuerpo y ${\displaystyle S}$ es la superficie. En el SI se mide en C/m² (culombios por metro cuadrado).

Se emplea para cuerpos que tienen volumen.

${\displaystyle \rho ={\frac {Q}{V}}}$

Donde ${\displaystyle Q}$ es la carga encerrada en el cuerpo y ${\displaystyle V}$ el volumen. En el SI se mide en C/m³ (culombios por metro cúbico).