Carga llétrica elemental

Les investigaciones actuales de la física apunten a que la carga llétrica ye una propiedá cuantizada. La unidá más elemental de carga atopóse que ye la carga que tien l'electrón, ye dicir alredor de 1,602 176 487(40) × 10^-19 culombios (C) y ye conocida como carga elemental.^[5] El valor de la carga llétrica d'un cuerpu, representada como q o Q, midir según el númberu d'electrones que tenga por demás o en defectu.^[6]

Esta propiedá conozse como cuantización de la carga y el valor fundamental correspuende al valor de carga llétrica que tien l'electrón y al cual representar como y. Cualquier carga q qu'esista físicamente, puede escribise como ${\displaystyle \ N\times y}$ siendo N un númberu enteru, positivu o negativu.

Por convención representar a la carga del electrón como -y, pal protón +y y pal neutrón, 0. La física de partícules postula que la carga de los quarks, partícules que componen a protones y neutrones tomen valores fraccionarios d'esta carga elemental. Sicasí, nunca se repararon quarks llibres y el valor de la so carga en xunto, nel casu del protón suma +y y nel neutrón suma 0.^[7]

Anque nun tenemos una esplicación abondo completa de porqué la carga ye una magnitú cuantizada, que namái puede apaecer en múltiplos de la carga elemental, s'han propuestos diverses idees:

• Paul Dirac amosó que si esiste un monopolo magnéticu la carga llétrica ten de tar cuantizada.
• Nel contestu de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar Klein atopó que si s'interpretaba'l campu electromagnéticu como un efeutu secundariu de la combadura d'un espaciu tiempu de topoloxía ${\displaystyle {\mathcal {M}}\times S^{1}}$, entós la compacidad de ${\displaystyle S^{1}\,}$ portaría que'l momentu llinial según la quinta dimensión taría cuantizado y de ende siguíase la cuantización de la carga.

Nel Sistema Internacional d'Unidaes la unidá de carga llétrica denominar culombiu (símbolu C) y defínese como la cantidá de carga qu'a la distancia de 1 metru exerz sobre otra cantidá de carga igual, la fuercia de 9×10⁹ N.

Un culombiu correspuende a la carga de 6,241 509 × 10¹⁸ electrones.^[8] El valor de la carga del electrón foi determináu ente 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y anguaño'l so valor nel Sistema Internacional acordies cola postrera llista de constantes del CODATA publicada ye:^[5]

${\displaystyle y={\frac {1C}{6,241509\times 10^{18}}}=1,602176\times 10^{-19}C}$

Como'l culombiu puede nun ser afechiscu en delles aplicaciones, por ser demasiáu grande, utilícense tamién los sos submúltiplos:

1 miliculombiu = ${\displaystyle {\frac {1C}{1.000}}=1mC}$

1 microculombiu = ${\displaystyle {\frac {1C}{1.000.000}}=1\mu C}$

Frecuentemente úsase tamién el sistema CGS que la so unidá de carga llétrica ye'l Franklin (Fr). El valor de la carga elemental ye entós d'aproximao 4,803×10^–10 Fr.

Principiu de caltenimientu de la carga

En concordanza colos resultaos esperimentales, el principiu de caltenimientu de la carga establez que nun hai destrucción nin creación neta de carga llétrica, y afirma qu'en tou procesu electromagnéticu la carga total d'un sistema aislláu caltiénse.

Nun procesu de lletrización, el númberu total de protones y electrones nun s'alteria, namái esiste una separación de les cargues llétriques. Por tanto, nun hai destrucción nin creación de carga llétrica, esto ye, la carga total caltiénse. Pueden apaecer cargues llétriques onde antes nun había, pero siempres lu fadrán de cuenta que la carga total del sistema permaneza constante. Amás esti caltenimientu ye llocal, asocede en cualquier rexón del espaciu por pequeña que sía.^[4]

Al igual que les otres ley de caltenimientu, el caltenimientu de la carga llétrica ta acomuñada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Asina pol teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano acomuñada a un grupu uniparamétrico de tresformamientos que dexen el lagrangiano invariante correspuénde-y una magnitú caltenida.^[9] El caltenimientu de la carga implica, al igual que'l caltenimientu de la masa, qu'en cada puntu del espaciu satisfaise una ecuación de continuidá que rellaciona la derivada de la densidá de carga llétrica cola diverxencia del vector densidá de corriente llétrica, dicha ecuación espresa que'l cambéu netu na densidá de carga ${\displaystyle \rho }$ dientro d'un volume prefijado ${\displaystyle V}$ ye igual a la integral de la densidá de corriente llétrica ${\displaystyle J}$ sobre la superficie ${\displaystyle S}$ que zarra'l volume, que de la mesma ye igual a la intensidá de corriente llétrica ${\displaystyle I}$:

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

Invariante relativista

Otra propiedá de la carga llétrica ye que ye un invariante relativista. Eso quier dicir que tolos observadores, ensin importar el so estáu de movimientu y el so velocidá, van poder siempres midir la mesma cantidá de carga.^[6] Asina, a diferencia del espaciu, el tiempu, la enerxía o'l momentu llinial, cuando un cuerpu o partícula mover a velocidaes comparables cola velocidá de la lluz, el valor de la so carga nun va variar.

Densidá de carga llinial

Usar en cuerpos lliniales como, por casu filos.

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

Onde ${\displaystyle Q}$ ye la carga zarrada nel cuerpu y ${\displaystyle L}$ ye'l llargor. Nel Sistema Internacional d'Unidaes (SI) midir en C/m (culombios por metro).

Densidá de carga superficial

Emplégase para superficies, por casu una plancha metálica delgada como'l papel d'aluminiu.

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

onde ${\displaystyle Q}$ ye la carga zarrada nel cuerpu y ${\displaystyle S}$ ye la superficie. Nel SI midir en C/m² (culombios por metru cuadráu).

Densidá de carga volumétrica

Emplegar pa cuerpos que tienen volume.

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

onde ${\displaystyle Q}$ ye la carga zarrada nel cuerpu y ${\displaystyle V}$ el volume. Nel SI midir en C/m³ (culombios por metru cúbicu).