La carga eléctrica es una propiedad física fundamental de la materia y, en particular, de las partículas subatómicas de protones y electrones. Así como los átomos tienen masa, estas partículas tienen carga y hay una fuerza eléctrica y un campo eléctrico asociados con esta carga.
Propiedades de la carga eléctrica
La carga eléctrica viene en dos variedades:carga positiva y carga negativa, que, como sugieren sus nombres, tienen signos opuestos (a diferencia de la masa, que solo tiene una variedad). Los objetos con carga eléctrica ejercen una fuerza eléctrica entre sí, al igual que los objetos con masa lo hacen a través de la fuerza gravitacional. Pero en lugar de ser siempre una fuerza atractiva, como ocurre con la masa, las cargas opuestas se atraen mientras que las cargas iguales se repelen.
La unidad de carga del SI es el culombio (C). Un culombio se define como la cantidad de carga que puede ser transferida por un amperio de corriente eléctrica en un segundo. Los portadores de carga fundamentales son el protón, con carga
+ e, y el electrón, con carga-mi, donde la carga elementalmi = 1.602 × 10-19 C.La carga neta de un objeto es la cantidad de protonesnortepagmenos el número de electronesnortemivecesmi:
\ text {cargo neto} = (N_p - N_e) e
La mayoría de los átomos son eléctricamente neutrales, lo que significa que tienen el mismo número de protones y electrones, por lo que su carga neta es 0 C. Si un átomo gana o pierde electrones, se le llama ion y tendrá una carga neta distinta de cero. Los objetos con carga neta exhiben electricidad estática y pueden adherirse entre sí como resultado con una fuerza que depende de la cantidad de carga.
Tenga en cuenta que esta transferencia de electrones entre átomos o entre objetos no resulta también en un cambio significativo en la masa de los objetos. Esto se debe a que, aunque los protones y los electrones tienen la misma magnitud de carga, tienen masas muy diferentes. La masa de un electrón es 9.11 × 10-31 kg mientras que la masa de un protón es 1,67 × 10-27 kg. ¡Un protón es más de 1000 veces más pesado que un electrón!
Ley de Coulomb: fórmula
La ley de Coulomb da la fuerza electrostáticaFentre dos cargas,q1yq2una distanciaraparte:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Dóndekes la constante de Coulomb = 8,99 × 109 Nuevo Méjico2/C2.
Tenga en cuenta que esta fuerza es unvector,que apunta a lo largo de una línea alejada de la otra partícula si las cargas son las mismas y hacia la otra partícula si las cargas son opuestas.
La ley de Coulomb, al igual que la fuerza de gravedad entre dos masas, es una ley del cuadrado inverso. Esto significa que disminuye como el cuadrado inverso de la distancia entre dos cargas. En otras palabras, las cargas que están dos veces más separadas experimentan una cuarta parte de la fuerza. Pero aunque esta carga disminuye con la distancia, nunca llega a cero y, por lo tanto, tiene un alcance infinito.
Ejemplos para estudiar
Ejemplo 1:Una carga de +2miy una carga de -4miestán separados por una distancia de 0,25 cm. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza de Coulomb entre ellos?
Usando la ley de Coulomb, y asegurándose de convertir cm am, obtiene:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ times 1.602 \ times 10 ^ {- 19 })} {0.0025 ^ 2} = 2.95 \ times 10 ^ {- 22} \ text {N}
Ejemplo 2:Suponga que un electrón y un protón están separados por una distancia de 1 mm. ¿Cómo se compara la fuerza gravitacional entre ellos con la fuerza electrostática?
La fuerza gravitacional se puede calcular a partir de la ecuación:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Donde la constante gravitacionalGRAMO = 6.67 × 10-11 metro3/kgs2.
Conectando números da:
F_ {grav} = (6.67 \ times 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ times 10 ^ {- 27}) (9.11 \ times 10 ^ {- 31})} {(1 \ times 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1.015 \ times 10 ^ {- 61} \ text {N}
La fuerza electrostática viene dada por la ley de Coulomb:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ times 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ times 10 ^ {- 19}) } {(1 \ times 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ times 10 ^ {- 22} \ text {N}
La fuerza electrostática entre el protón y el electrón es más de 1039 veces mayor que la fuerza gravitacional!