Definición de Carga (en Física, carga eléctrica y de color)
Licenciado en Física
En Física, la carga es una facultad propia de la materia, cuya magnitud indica la capacidad que tiene de experimentar una interacción en particular y la forma en que dicha interacción se lleva a cabo.
Quizá el ejemplo más común de esto es la carga eléctrica que determina la capacidad de la materia para interactuar electromagnéticamente, sin embargo, también existe la carga de color que representa la capacidad que tienen los quarks y gluones de interactuar por medio de la fuerza nuclear fuerte.
Carga eléctrica
La carga eléctrica está presente prácticamente en toda la materia. Los electrones y protones que conforman los átomos poseen carga eléctrica, así como los quarks, que son los constituyentes básicos de los protones. Es por esta razón que prácticamente toda la materia interactúa electromagnéticamente. Las cargas eléctricas son las protagonistas de un sinfín de fenómenos que van desde cuestiones muy fundamentales de la naturaleza hasta procesos fisiológicos que son de gran relevancia para la vida.
La primera identificación de la existencia de dos tipos de carga eléctrica se llevó a cabo en 1733 por el físico francés Charles du Fay. Este descubrimiento se complementó con los estudios de Benjamin Franklin sobre la electricidad de los cuerpos. La incorporación formal del papel que jugaba la carga eléctrica en el fenómeno de la electricidad ocurrió 1785 cuando el físico francés Charles Augustin de Coulomb utilizó una balanza de torsión para medir la fuerza eléctrica que existía entre dos objetos con carga eléctrica. Esto le permitió a Coulomb dar la primera descripción matemática de la fuerza eléctrica, esto se conoce como la “Ley de Coulomb” y establece que:
\(\overrightarrow {{F_e}} = k\;\frac{{{q_1}{q_2}}}{{{r^2}}}\hat r\)
Donde \(\overrightarrow {{F_e}} \) es el vector de fuerza eléctrica, \(k\) es la constante de Coulomb y tiene un valor de \(k \approx 9 \times {10^9}\;N{m^2}/{C^2}\), \({q_1}\) y \({q_2}\) son las cargas eléctricas, \(r\) es la distancia que separa a ambas cargas y \(\hat r\) es un vector unitario cuya dirección es a lo largo de la línea recta que une a ambas cargas.
La ley de Coulomb establece que fuerza eléctrica entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional a la distancia que las separa. No obstante, aquí también se puede observar la naturaleza de la fuerza eléctrica dependiendo del tipo de cargas eléctricas que estén involucradas.
Si \({q_1}\) y \({q_2}\) son positivas, entonces \({q_1}{q_2} \gt 0\) y por lo tanto \(\overrightarrow {{F_e}} \gt 0\), esto indica que la fuerza eléctrica resultante va a ser repulsiva. Lo mismo ocurre si las cargas \({q_1}\) y \({q_2}\) son negativas. Por otro lado, si una de las cargas eléctricas es positiva y la otra es negativa, se tiene que \({q_1}{q_2} \lt 0\), por consiguiente, \(\overrightarrow {{F_e}} \lt 0\), en este caso la fuerza eléctrica entre ambas cargas será atractiva. En resumen, cargas eléctricas con signo opuesto se atraen y cargas eléctricas del mismo signo se repelen.
La fuerza eléctrica se da entre cargas eléctricas debido a que estas son la fuente de los campos eléctricos, que son lo que en realidad interactúan y dan lugar a las fuerzas eléctricas. Esta relación entre campo eléctrico y cargas eléctricas la brinda la Ley de Gauss para el campo eléctrico, la cual establece que:
En esta expresión matemática el término \(\nabla \cdot \vec E\) es la divergencia del campo eléctrico \(\vec E\), \(\rho \) es la densidad de carga eléctrica y es la permitividad eléctrica del vacío. La Ley de Gauss básicamente nos dice que el campo eléctrico diverge desde las cargas eléctricas, es decir, son estas las fuentes del campo eléctrico.
Además de esto, la carga eléctrica es una magnitud que se conserva tanto global como localmente. Consideremos un volumen con una densidad de carga eléctrica \(\rho \left( {\vec r,t} \right)\) que cambia en función del vector posición y del tiempo. La carga eléctrica contenida en cierto volumen \(V\) será:
\(Q\left( t \right) = \mathop \smallint \nolimits_V^{} \rho \left( {\vec r,t} \right)\;d\nu \)
Esto es la carga eléctrica contenida en dicho volumen en función del tiempo. Ahora supongamos que estas cargas eléctricas del volumen comienzan a moverse y se crea una corriente eléctrica. La corriente eléctrica \(I\) está dada por:
\(I = \frac{{dQ}}{{dt}}\)
Por lo tanto, tenemos entonces que:
\(\frac{{dQ}}{{dt}} = \frac{d}{{dt}}\mathop \smallint \nolimits_V^{} \rho \left( {\vec r,t} \right)\;d\nu = \mathop \smallint \nolimits_V^{} \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}}\;d\nu \)
No obstante, la corriente eléctrica puede ser descrita también por medio del vector de corriente \(\vec J\). La corriente eléctrica que pasa a través de una superficie \(S\) expresada en función del vector de corriente \(\vec J\) es:
\(\frac{{dQ}}{{dt}} = – \mathop \smallint \nolimits_S^{} \vec J \cdot d\vec A\)
Con estas dos últimas expresiones, podemos decir con certeza que:
\(\mathop \smallint \nolimits_V^{} \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}}\;d\nu = – \mathop \smallint \nolimits_S^{} \vec J \cdot d\vec A\)
Finalmente, utilizaremos el teorema de la divergencia en el lado derecho de la ecuación el cual establece que:
\(\mathop \smallint \nolimits_S^{} \vec J \cdot d\vec A = \mathop \smallint \nolimits_V^{} \nabla \cdot \vec J\;d\nu \)
Reemplazando esto en la ecuación anterior tenemos ahora que:
\(\mathop \smallint \nolimits_V^{} \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}}\;d\nu = – \mathop \smallint \nolimits_V^{} \nabla \cdot \vec J\;d\nu \)
Si ambas integrales son iguales, esto quiere decir que los integrandos también lo son, por lo tanto, podemos concluir que:
\(\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} = – \nabla \cdot \vec J\)
Esta es una ecuación de continuidad que representa la conservación de la carga eléctrica. En pocas palabras, lo que nos dice esta ecuación es que la corriente eléctrica que surge de un volumen es igual a la carga eléctrica que abandona dicho volumen.
Carga de color
La carga de color es una propiedad que tienen los quarks y los gluones que conforman lo hadrones como el neutrón y el protón. La carga de color puede pensarse como análoga a la carga eléctrica y representa la capacidad que tienen los quarks y gluones para interactuar por medio de la fuerza nuclear fuerte. La rama de la física que se encarga del estudio de este tipo de interacciones es la Cromodinámica Cuántica.
Contrario a lo que ocurre con la carga eléctrica, en la cromodinámica cuántica existen tres tipos de cargas de color denominadas “rojo”, “verde” y “azul”. Además, los antiquarks tienen carga de color que puede ser “antirojo”, “antiverde” o “antiazul”. Cabe destacar que esto es sólo una abstracción de lo que ocurre a estas escalas y que la carga de color no tiene absolutamente nada que ver con el color real.
Art. actualizado: Septiembre 2023; sobre el original de diciembre, 2008.
Zamora Ramírez, A. (Septiembre 2023). Definición de Carga (en Física, carga eléctrica y de color). DefinicionABC. Desde https://www.definicionabc.com/general/carga.php
Referencias
Gerald L. Pollack & Daniel R. Stump. (2002). Electromagnetism. San Francisco: Addison Wesley.David J. Griffiths. (2013). Introduction to Electrodynamics. United States: Pearson.