Fundamentos de Electricidad y Magnetismo: Partículas, Carga y Cuantización

Fundamentos de Electricidad y Magnetismo

Partículas Fundamentales: Los Quarks

Los constituyentes básicos de la materia, como los protones y neutrones, están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks.

• Existen 6 tipos de quarks “básicos”: el quark up (u), el quark down (d), el quark extraño (s), el quark charme (c), el quark bottom (b) y el quark top (t).
• Los quarks u y d son suficientes para construir la materia común que observamos.
• El protón está constituido por 2 quarks u y 1 quark d.
• El neutrón está compuesto por 1 quark u y 2 quarks d.
• La carga del protón es +e, ya que el quark u tiene carga $+\frac{2}{3}e$ y el quark d tiene carga $-\frac{1}{3}e$.
• El neutrón no posee carga neta.

¿Qué es la Electricidad?

La electricidad se origina a partir de una propiedad intrínseca de las partículas fundamentales y de la materia.

• Los protones y electrones poseen esta propiedad llamada carga eléctrica.
• Las masas de los protones y electrones son muy distintas, pero la magnitud de sus cargas es la misma.

Valores de Masa y Carga

A continuación, se detallan las propiedades fundamentales:

• Electrón: Masa $\approx 9.1 \times 10^{-31}$ kg; Carga $= -1.6 \times 10^{-19}$ C.
• Protón: Masa $\approx 1.67 \times 10^{-27}$ kg; Carga $= +1.6 \times 10^{-19}$ C.
• Neutrón: Masa $\approx 1.67 \times 10^{-27}$ kg; Carga $= 0$.

Interacciones y Propiedades de la Carga Eléctrica

• Origen de la nomenclatura: Benjamín Franklin asignó los nombres de carga positiva y negativa y estableció las reglas de interacción: cargas de signo igual se repelen, y cargas de signo distinto se atraen.
• Cuando las cargas se encuentran juntas, las del mismo signo se suman y las de distinto signo se restan (en términos de magnitud neta).
• Un cuerpo adquiere carga eléctrica si acumula cargas del mismo signo (exceso o déficit de electrones).
• Conservación de la carga eléctrica: Franklin postuló que la carga se conserva; no se crea ni se destruye, solo ocurre una transferencia de cargas entre cuerpos en un sistema aislado.

Cuantización de la Carga Eléctrica

La carga eléctrica no puede tomar cualquier valor, sino que está restringida a múltiplos de una unidad fundamental.

• Robert Millikan demostró que la carga eléctrica siempre se presenta como algún múltipo entero de cierta unidad fundamental de carga, denotada como $e$. La carga $q$ está cuantizada, donde $q = Ne$ ($N$ es algún número entero).
• La unidad mínima de carga es la del electrón (en magnitud): $e = 1.6 \times 10^{-19}$ C.
• Según el Sistema Internacional (SI), la carga se mide en Coulomb (C). Un Coulomb equivale a la carga obtenida al reunir $6.24 \times 10^{18}$ cargas elementales.
• También se usan con mayor frecuencia submúltiplos como el microcoulomb ($10^{-6}$ C) y el picocoulomb ($10^{-12}$ C).

Por lo tanto, definimos la electricidad como un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas, y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, etc.

Ramas de Estudio

Según el comportamiento de las cargas, se definen las siguientes ramas de la física:

• La electrostática: Estudio del comportamiento de las cargas en reposo.
• La electrodinámica: Estudio del comportamiento de las cargas en movimiento.