Carga eléctrica, leyes de Kepler, reflexión y refracción de ondas y el fotón

La carga eléctrica es, junto a la masa, una propiedad fundamental de la materia, que tiene su origen en la estructura atómica. Es la propiedad responsable de la interacción electromagnética. Tiene las siguientes propiedades:

• Puede ser positiva o negativa, como se observa en los fenómenos de electrización.
• La carga total de un conjunto de partículas es la suma algebraica con el signo de sus cargas individuales.
• La carga eléctrica total de un sistema aislado se conserva (las cargas eléctricas no pueden ser creadas ni destruidas: principio de conservación de la carga).
• La carga está cuantizada. Siempre se presenta en cantidades discretas que son múltiplos enteros del valor absoluto de la carga del electrón (conocida por ello como unidad fundamental de carga (equivale a 1,60·10^-19 C, donde C representa al culombio, la unidad de carga en el Sistema Internacional de unidades). La carga del electrón es -|e| y la del protón +|e|.

La ley de Coulomb, enunciada en 1785, describe la interacción entre cargas eléctricas en reposo. Dice así: La interacción electrostática entre dos partículas consideradas puntuales cargadas eléctricamente (q₁ y q₂) es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r), y depende de la naturaleza del medio que les rodea.

Las fuerzas electrostáticas que actúan sobre cada una de las partículas cargadas forman un par de fuerzas de acción y reacción, por lo que su dirección es la de la recta que une sus centros y su sentido es de atracción si las cargas tienen distinto signo y de repulsión si las cargas tienen el mismo signo.

Leyes de Kepler

2ª Ley de las áreas: Las áreas barridas por el radio vector, que une el centro del Sol con cada planeta, son directamente proporcionales a los tiempos empleados en barrerlas.

1ª Ley de las órbitas: Los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.

3ª Ley de los periodos: Los cuadrados de los periodos de revolución de cada planeta son directamente proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de las respectivas órbitas. Para dos planetas cualesquiera.

Reflexión y Refracción de Ondas

Cuando una onda que avanza a cierta velocidad por un medio homogéneo llega a una superficie que separa dicho medio de propagación de otro distinto, ocurren simultáneamente, en mayor o menor medida, dos fenómenos ondulatorios básicos, consistentes en la desviación de la dirección de propagación de la onda: la reflexión y la refracción.

• En la reflexión, la onda continúa propagándose en el mismo medio de donde proviene, pero con distinta dirección y sentido. Ejemplos: la reflexión de la luz en un espejo; el eco que se produce al reflejarse el sonido en un obstáculo; etc.
• En la refracción, la onda cambia de medio de propagación, produciéndose un cambio de dirección al pasar oblicuamente al nuevo medio, al propagarse en él con diferente velocidad.

Dualidad Onda-Corpúsculo: El Fotón

Para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, entre ellos el efecto fotoeléctrico, Albert Einstein retomó en 1905 la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz. Supuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua sino discreta, de modo que una onda electromagnética de frecuencia v, se podía considerar compuesta por cuantos o corpúsculos que viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energía E = h·v (donde h es la constante de Planck, de valor 6,63·10^-34 J·s) y un momento lineal p = E/c= h/λ. A estos cuantos se les llamó fotones.

La teoría de Einstein no invalida la teoría electromagnética de la luz. La física moderna tuvo que introducir la dualidad onda-corpúsculo, admitiendo que la luz posee simultáneamente cualidades ondulatorias y corpusculares. Cuando la luz interactúa con la materia se comporta como un chorro de partículas (fotones) con energía y momento lineal; cuando se propaga o sufre fenómenos de difracción o interferencia, la luz se comporta como una onda caracterizada por su longitud de onda en el vacío o por su frecuencia.