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Concepto de carga eléctrica

 

Ley de la gravitación universal

Ley de Coulomb

Ley de las cargas

Compatibilidad de la teoría electromagnetica y la mecánica cuántica.

Propiedades de algunas partículas elementales 

Comparación de la fuerza eléctrica y gravitacional en el núcleo del átomo de hidrógeno

¿La carga eléctrica como un fluido continuo?

Problemas de carga eléctrica

En el estudio de la física, al igual que en algunas otras áreas, se observa que existen algunas leyes que presentan cierta similitud, Uno de los casos mas conocidos es la relación que existe entre fuerza gravitacional y fuerza eléctrica. La primera conocida como la ley de la gravitación universal y que es expresada como:

 

Ley de la gravitación universal. Se dice que la fuerza entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

donde G es la constante de gravitación universal y m1, m2 son las masas de los cuerpos en cuestión, la separación entre los cuerpos es indicado por r (la distancia entre los centros de las masas) la constante G es igual a     

 

Por otro, la otra ley que implica una formulación parecida es la ley de Coulomb, la cual expresa la naturaleza de la fuerza que existe entre dos cuerpos cargados.

 

Compatibilidad de la  teoría electromagnética con la mecánica cuántica  y la teoría de la relatividad.

 

Aunque la ley de Coulomb se satisface para determinar la fuerza entre esferas cargadas o cargas puntuales, también podemos determinar como es el comportamiento entre la fuerza de entre las partículas mas elementales como son los electrones o los Quartz. Dentro de la mecánica:  

 

Ley de Coulomb. La fuerza entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia  entre ambos cuerpos, de esta forma:

donde K es una constante que tiene que ver con la permeabilidad del medio entre los dos cuerpos cargados, q1 y q2  son las cargas de los cuerpos, la separación entre los cuerpos también  es indicado por r.

La constante k es igual a

  a su vez la constante  donde  es la permeabilidad relativa, ,

y  es la permeabilidad del medio en el vacío.

Algunos de los valores mas típicos son:

 

considerando que la permeabilidad en el vacío es igual a uno entonces la ecuación de la ley de Coulomb se puede restringir a:

 

Podemos considerar ambas ecuaciones para determinar tanto la fuerza de gravedad, como la fuerza eléctrica para dos cuerpos, tanto masivos como cargados. En tal caso la distancia r a considerar es la misma.

Una diferencia sustancial entre la ecuación que describe la ley de la gravitación universal y la ley de Coloumb es que en el caso de la primera no se puede observar masas de diferente signo,  como en el caso del electromagnetismo en el que se observa cargas tanto positivas como negativas, y por tanto siempre es atractiva. 

 

A continuación se presenta una descripción de las propiedades de algunas partículas  elementales:

 

Partícula

Símbolo

Carga

Masa

Ímpetu angular

Electrón

e-

-1

1

Protón

p

+1

1836.15

Neutron

 

n

0

1838.68

 

 

Ejemplos de comparación de la fuerza gravitacional entre la fuerza eléctrica en el núcleo del átomo de hidrógeno.

 

1.- Analicemos la fuerza eléctrica entre un protón y un electrón  en el núcleo de hidrógeno. La separación promedio entre en electrón y el protón es:

 

 Sustituyendo los datos tendremos:

 

para la fuerza gravitacional tenemos:

 

Podemos comparar directamente que la fuerza gravitacional es mas débil  que la fuerza eléctrica

como podemos ver a nivel atómico la fuerza eléctrica dentro del núcleo es mas grande que la fuerza de gravedad. Auque la fuerza gravitacional es  mas pequeña, pero es de atracción, por ello puede generar la creación de grandes masas, tal es el caso de la formación de las estrellas y de los planetas de modo que a medida que crecen  sus masas pueden generarse grandes masas gravitatorias. Sin embargo, pese a que las fuerzas eléctricas en el interior del átomo son grandes son de repulsión y por tanto no pueden crecer grandes concentraciones de carga bien sean negativas como positivas.

   

¿La carga eléctrica como un fluido continuo?

En tiempos de Franklin se tomaba a la carga eléctrica como “un fluido continuo”, algo erróneo inclusive para los fluidos se ha encontrado que fluidos el agua o el aire que se ha observado no son fluidos continuos sino que están formados de átomos y moléculas lo cual indica que la materia es discreta. En el caso concreto de la carga eléctrica, el comportamiento no es continuo, cada carga es a su vez un múltiplo de una carga elemental (electrón)

donde la carga del e se ha obtenido de manera experimental

Al igual que en la mecánica cuántica, algunas cantidades aunque variables se presentan en cantidades discretas o cantidades continuamente variables. 

Hemos observado que la carga eléctrica no tiene un comportamiento continuo, la carga se define como , y con ello podemos definir la carga como una cantidad entera de e, por ejemplo 0q, +2q, etc.. Sin embargo, existen cantidades que definen la carga de las partículas mas elementales y de las que esta definida los electrones y protones llamados Quarks. A estas partículas se les asocia una fracción de carga por ejemplo -1/3 e y 2/3e.