Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad básica de la materia que viene en formas positiva y negativa; las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen.
Definition
La carga eléctrica es una propiedad que tienen algunas partículas diminutas, que viene en dos tipos, positiva y negativa, con las cargas iguales empujándose entre sí y las diferentes jalándose una hacia otra, y la mayoría de los objetos parecen no tener carga porque contienen cantidades iguales de carga positiva y negativa hasta que el frotamiento desbalancea eso. Es una propiedad fundamental de la materia que llevan los protones (positiva) y los electrones (negativa), medida en coulombs, conservada así que puede moverse entre objetos pero nunca crearse ni destruirse, y un objeto se carga al ganar o perder electrones mientras los protones permanecen fijos en el núcleo. La carga es un escalar conservado, cuantizado e invariante de Lorentz: toda partícula libre lleva un múltiplo entero de la carga elemental $e = 1.602 \times 10^{-19}\ \text{C}$ (los quarks confinados llevan $\pm e/3$ y $\pm 2e/3$), las cargas puntuales interactúan mediante la ley de Coulomb, $\vec{F} = kq_1q_2\hat{r}/r^2$ con $k = 1/(4\pi\varepsilon_0) = 8.99 \times 10^9\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$, y una carga genera un campo eléctrico $\vec{E} = \vec{F}/q$ que obedece la ley de Gauss, $\oint \vec{E}\cdot d\vec{A} = Q_{\text{enc}}/\varepsilon_0$, con la conservación local de carga expresada mediante la ecuación de continuidad $\partial\rho/\partial t + \nabla\cdot\vec{J} = 0$.
Example
Los protones en el centro de un átomo son positivos y los electrones que revolotean a su alrededor son negativos, y esa atracción mantiene unido al átomo; un electrón lleva $-1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, así que un coulomb es la carga de unos $6.25 \times 10^{18}$ electrones, y un globo frotado en el cabello puede recoger $10^{11}$ electrones adicionales, solo unos $-1.6 \times 10^{-8}\ \text{C}$, y sin embargo suficiente para mantenerlo pegado a una pared. En un átomo de hidrógeno, con el electrón a unos $5.3 \times 10^{-11}\ \text{m}$ del protón, la fuerza de Coulomb es $F \approx 8.2 \times 10^{-8}\ \text{N}$, mientras que la gravedad entre ellos es de unos $3.6 \times 10^{-47}\ \text{N}$, más débil por un factor de $10^{39}$.
Key Insight
La carga, no la masa, es sobre lo que actúan las fuerzas eléctricas y magnéticas, así que un átomo neutro no siente fuerza eléctrica neta, por eso las fuerzas eléctricas no jalan a una persona hacia una pared de la manera en que la gravedad jala hacia el piso. El universo es eléctricamente neutro con una precisión extraordinaria; si las cargas de los protones y los electrones difirieran en tan solo una parte en $10^{18}$, la repulsión eléctrica entre objetos cotidianos abrumaría a la gravedad, así que la química, la biología y toda fuerza de contacto existen porque la carga está balanceada tan exactamente a gran escala y tan desbalanceada a escala atómica.