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Cargas eléctricas
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El electromagnetismo se enfoca en la propiedad de las partículas que denominamos carga eléctrica. Esta carga puede ser positiva o negativa y, en general, es un múltiplo entero de una carga elemental, que corresponde a la carga del electrón.
ID:(822, 0)
Propiedad electrostática
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El primero que comienza a hablar de lo que hoy llamamos una carga electrica fue William Gilbert [1] que la asociaba a los fenemoenos que hoy denominamos elctricos a diferencia de los fenomenos que Gilbert estudiaba en el ambito magnetico.
Dento de la discusión de estas propiedades Gilbert vio que si se frotaba un objeto con un paño y luego la acercamos a algunos objetos esos eran atraidos:
[1] "De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure", (Del Imán, y de los Cuerpos Magnéticos, y del Gran Imán de la Tierra), William Gilbert, 1600
ID:(1903, 0)
Barra tras separar de conductor
Concepto
Si el cuerpo cargado se divide, la repulsión entre cargas iguales hace que estas se distribuyan sobre la superficie del conductor:
Barra tras separar de Conductor
Para que esto ocurra, es necesario que las cargas puedan desplazarse dentro del cuerpo. Stephen Gray [1] identificó este tipo de material, señalando que son conductores de cargas eléctricas. Por otro lado, también identificó materiales en los que no existe dicho desplazamiento, describiéndolos como aislantes.
[1] "Documented experiments - not a formal paper" (Experimentos documentados, no un documento formal), Stephen Gray, Philosophical Transactions of the Royal Society, 1729-1730
ID:(1902, 0)
Polarización de un conductor
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Al aproximar un cuerpo cargado a otro en que las cargas se pueden desplazar (conductor) se origina una polarización:
Polarización de un Conductor
Las cargas opuestas son atraídas mientras que las iguales a las del cuerpo que se acerca son repelidas.
Esto muestra lo que en su epoca descubrio Charles François de Cisternay du Fay [1] en el sentido que existen dos tipos de cargas que el denomino "Vitreous" y "Resinou" y que hoy denominamos poitivas y negativas.
[1] "Une découverte de deux types délectricité électrique" (Dos tipos de fluido eléctrico: vítreo y resinoso), Charles François de Cisternay du Fay, Académie française des sciences, 1733
ID:(1696, 0)
Barra en contacto con conductor
Concepto
Cuando un cuerpo cargado se aproxima a un conductor, este último se polariza, acercando las cargas opuestas al cuerpo cargado. Al entrar en contacto, las cargas se transfieren, neutralizando parte de las cargas del cuerpo cargado y dejando un excedente de cargas en el conductor:
Barra en contacto con Conductor
Este fenómeno también está asociado con el hecho de que las cargas del mismo tipo (positivas o negativas) se repelen, mientras que las cargas de diferente tipo se atraen. Este principio fue introducido por Charles-Augustin de Coulomb [1] en su estudio sobre las fuerzas entre cargas eléctricas.
[1] "Premier Mémoire sur lÉlectricité et le Magnétisme" (Primera memoria sobre la electricidad y el magnetismo), Charles-Augustin de Coulomb, Académie Royale des Sciences en París, 1785.
ID:(1901, 0)
Las cargas se conservan
Concepto
Benjamin Franklin en sus estudios de la electricidad descubre que las cargas se conservan o sea que la suma de las cargas positivas y negativas es igual.
Un cuerpo puede ser neutro o polarizarse separándose las cargas positivas de las negativas. Sin embargo esta separación es tal que se 'crean' el mismo numero de cargas positivas como negativas. Esto es un reflejo de:
La suma de las cargas positivas y negativas en el universo se conserva.
Esto significa que la carga en si no se conserva. O sea una carga positiva puede 'desaparecer' en la medida que al mismo tiempo se 'desaparezca' una carga negativa. De igual forma solo se puede 'crear' una carga positiva en la medida que al mismo tiempo se 'cree' una negativa.
[1] "Experiments and Observations on Electricity" (Experimentos y observaciones sobre electricidad), Benjamin Franklin, Colección de catas, 1751
ID:(10389, 0)
Existencia de Cargas
Concepto
Experimentando con objetos podemos descubrir que existe una propiedad que podemos denominar carga y que tiene las siguientes propiedades:
• se le pueden 'crear de la nada' en la medida que se 'creen' el mismo numero de positivas como negativas lo que corresponde a una conservación de cargas
• en algunos medios, que denominamos conductores, estas cargas se pueden desplazar
• las cargas generan fuerzas que pueden ser repelentes (cargas iguales) o atrayentes (cargas opuestas)
Una propiedad adicional es la que las cargas solo pueden tomar valores discretos siendo el valor 'unitario' la carga del electrón.
ID:(10388, 0)
Ejemplo de conservación de cargas
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Un ejemplo clásico de conservación de cargas se da cuando un fotón en un rayo gamma genera un par de partículas compuestas por un electrón y un positrón. El fotón original no posee carga, mientras que el electrón tiene una carga de -1.6e-19 Coulomb (negativa) y el positrón, que es la contraparte de antimateria del electrón, posee una carga de +1.6e-19 Coulomb (positiva).
Este fenómeno se podía observar en las antiguas cámaras de niebla utilizadas por los físicos para estudiar partículas:
En estas cámaras, las partículas inducen la condensación en el vapor de agua saturado, dejando trazos visibles. Debido a que la cámara se encuentra en un campo magnético, las cargas eléctricas se desvían, creando imágenes en forma de espiral. Al tener cargas opuestas, una partícula gira en un sentido y la otra en el sentido contrario.
ID:(11362, 0)
Número de electrones
Concepto
El electrón fue descubierto por J.J. Thomson [1,2], quien determinó su carga, $e$, que es igual a $-1.6\times 10^{-19}C$. Por ello, el número de electrones ($n_e$) se puede determinar a partir de la carga de todos los electrones ($Q_e$) dividido por la carga del electrón ($e$), resultando en:
| $ n_e =\displaystyle\frac{ Q_e }{ e }$ |
[1] "Cathode Rays" (Rayos catódicos), J.J. Thomson, Philosophical Magazine, 1897
[2] "On the Charge of Electricity Carried by the Ions Produced by Röntgen Rays" (Sobre la carga de electricidad transportada por los iones producidos por los rayos Röntgen), J.J. Thomson, Philosophical Magazine, 1897
ID:(15777, 0)
Número de iones
Concepto
Svante Arrhenius, en su tesis doctoral [1], postuló que existen partículas con múltiples cargas del electrón, conocidas como iones. Por lo tanto, su número depende de la carga total y del múltiplo de la carga del electrón. Así, el número de iones del tipo k ($n_{i,k}$) se calcula a partir de la carga del ion i ($Q_i$), dividido por la carga de cada ion, que es la carga del electrón ($e$), multiplicado por la valencia ($z$):
| $ n_{i,k} =\displaystyle\frac{ Q_{i,k} }{ z_k e }$ |
[1] "Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes" (Investigación sobre la conductividad galvánica de electrolitos), Svante Arrhenius, Tesis doctoral, 1884
ID:(15776, 0)
Carga total
Concepto
La carga ($Q$) total se puede calcular sumando el número de electrones ($n_e$) multiplicado por la carga del electrón ($e$) y la suma de el número de iones del tipo k ($n_{i,k}$) multiplicado por la valencia ($z$), si este número se multiplica por la carga del electrón ($e$):
| $ Q = n_e e + \displaystyle\sum_k n_{i,k} z_k e $ |
Como las cargas opuestas se compensan, no es posible determinar el número total de cargas, ni cuántas de estas son positivas o negativas.
ID:(15778, 0)
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Cálculos
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Ecuaciones
$ n_e =\displaystyle\frac{ Q_e }{ e }$
n_e = Q_e / e
$ n_{i,k} =\displaystyle\frac{ Q_{i,k} }{ z_k e }$
n_ik = Q_ik /( z_k * e )
$ Q = n_e e + \displaystyle\sum_k n_{i,k} z_k e $
Q = n_e * e + @SUM( n_ik * z_k , k )* e
ID:(15322, 0)
Número de electrones
Ecuación
El número de electrones ($n_e$) se puede determinar a partir de la carga de todos los electrones ($Q_e$) dividido por la carga del electrón ($e$), resultando en:
| $ n_e =\displaystyle\frac{ Q_e }{ e }$ |
ID:(3211, 0)
Número de iones
Ecuación
El número de iones del tipo k ($n_{i,k}$) se calcula a partir de la carga del ion i ($Q_i$) dividido por la carga de cada ion, que es la carga del electrón ($e$), multiplicado por la valencia ($z$):
| $ n_{i,k} =\displaystyle\frac{ Q_{i,k} }{ z_k e }$ |
ID:(15774, 0)
Carga total
Ecuación
La carga ($Q$) total se puede calcular sumando el número de electrones ($n_e$) multiplicado por la carga del electrón ($e$) y la suma de el número de iones del tipo k ($n_{i,k}$) multiplicado por la valencia ($z$), si este número se multiplica por la carga del electrón ($e$):
| $ Q = n_e e + \displaystyle\sum_k n_{i,k} z_k e $ |
ID:(15775, 0)