Càrrega elèctrica elemental

Lacàrrega elèctrica elementaloquantum elemental d'electricitatés unaconstant físicausada com aunitat naturali equivalent almòdulde lacàrrega elèctricad'unelectró.Aquest valor coincideix, amb signe contrari, amb la càrrega elèctrica d'unprotó,tot i que actualment no se sap perquè, ja que es tracta de dos tipus departícules elementalsdiferents: l'electró és un tipus deleptómentre que el protó és unhadró(tresquarks«enganxats») format per dues partícules amb càrrega positiva i una de negativa. Es defineix com a la mínima càrrega elèctrica possiblei es representa amb el símbole.

$$e=1,602\,176\,487\times 10^{-19}\;\mathrm {C}$$

El concepte de càrrega elèctrica elemental va néixer quan encara no existia la teoria dels quarks. Així, corresponia a la càrrega elèctrica més petita que podia existir, que coincidia amb la càrrega elèctrica de lespartícules elementalsmés petites, i carregadeselèctricament,que es coneixien. Tots elsbarionsimesonstenen càrregues elèctriques enteres, múltiple de la càrrega elèctrica elemental, que es considera indivisible.

Segons la teoria de quarks però, els barions estan formats per un quark i el seuantiquarki els mesons per tres quarks. Perquè el protó tingui la càrrega elemental una possibilitat seria que cada quark que el compon pugui tenir una càrrega menor a aquesta. Aquesta teoria postula que els quarks i antiquarks tindrien càrregues elèctriques d'un o dos terços de l'elemental, el que s'anomena càrrega semientera o també càrrega fraccional. Tanmateix això resta una teoria que mai s'ha provat i ningú fins ara ha estat capaç de detectar una càrrega fraccional aïllada ni, per exemple, a l'experiment de la gota d'oli.

Història

El1909enRobert Millikanva fer la primera mesuraexperimentalde la càrrega elèctrica elemental a partir del seu famósexperiment de la gota d'oli.D'altra banda, en1913,Henry Moseleyva trobar experimentalment que elsnuclis atòmicstenien tots càrregues positives que tenien valors enters múltiples de la càrrega elemental. Encara que es desconegui la causa, s'ha comprovat que la càrrega dels electrons i la dels protons, a excepció del signe, són idèntiques.

Des de llavors, aconseguir detectar una càrrega inferior ha estat un repte per a algunes persones que s'han dedicat a intentar-ho, cosa no assolida en l'actualitat, molt especialment a partir delsanys seixanta,quan es va postular la teoria dels quarks amb una suposada càrrega semientera.

Valor exacte

Segons elComitè de Dades per a la Ciència i la Tecnologia,CODATA, un comitè de l'International Council for Science,ICSU, el valor de la càrrega elèctrica elemental és d'1,602 176 487 × 10^–19Coulombs,amb un interval de confiança estàndard de 0,000 000 040 × 10^–19C i un interval relatiu de 2,5 × 10^–8C.

L'error típic o estàndard seria d'un màxim de 0,000 000 14 × 10^–19C i l'error relatiu de 8,5 × 10^–8C.

Conversió d'unitats

La unitat de càrrega elèctrica alsistema internacionalés elCoulomb,de símbolC:

• e = 1,6 × 10^–19C
• 1 C = 6,2 × 10¹⁸e

Alsistema centímetre-gram-segones pot utilitzar, per exemple, elfranklin,Fr,o l'estatcoulomb,statC.Al camp de l'enginyeria nuclear i d'efectes i aplicacions de la radioactivitat també és freqüent l'EMCGS:

• e = 1,59×10^–20unitats electromagnètiquesCGS(EMCGS)
• e = 4,77×10^–10unitats electroestàtiquesCGS
• e = 4,80×10^–10Fr
• e = 0,53×10^–10statC

• 1 EMCGS = 6,29×10¹⁹e
• 1 unitat electroestàtica CGS = 2,09×10⁹ e
• 1 Fr = 2,08×10⁹ e
• 1 statC = 1,87×10¹⁰ e

Constants relacionades

Laconstant de Faraday,F,és la càrrega elèctrica que té un mol d'electrons. Per definició és el resultat de la multiplicació de dues constants, la càrrega elèctrica d'un electró (que és la càrrega elèctrica elemental,e), pel nombre d'electrons que hi ha en un mol d'ells, que és sempre igual alnombre d'Avogadro,N_A.És a dir que:

• F = e · N_A= 1,6 × 10^–19· 6,02 × 10²³= 96 320C/mol

Com la càrrega elèctrica d'un protó és igual a la de l'electró, encara que de signe contrari, resulta que la constant de Faraday és també en mòdul (però signe contrari, és a dir, positiu) la càrrega elèctrica d'un mol de protons.

Laconstant de Josephson,k_J,és la inversa delquàntumdeflux magnètic,que és proporcional alcorrent elèctriccontinudelssuperconductors.Equival al doble de la càrrega elèctrica elemental,edividida entre laconstant de Planck,h.Formalment:

• k_J= 2 e/h = 2 · 1,6 × 10^–19/ 6,62 × 10^–34= 4,8 × 10¹⁴

En física es pot establir un sistema d'unitats imposant que set valors constants tinguin valor unitari i calculant totes les altres a través d'elles. Aquests sistemes s'anomenennaturalsi aquestes set constants físiques, escollides arbitràriament, sónunitats naturals.La càrrega elèctrica elemental es considera unaunitat naturalque s'usa, per exemple, a les unitats de Planck, les de Stoney, les de Schrödinger, les unitats atòmiques, les de l'electrodinàmica quàntica i òbviament al sistema d'unitats electrònic. A aquests diferents sistemes d'unitats, segons quines siguin les altres constants físiques a les quals ha convengut donar-les el valor 1, n'hi ha d'altres definides amb una relació matemàtica a partir de la càrrega elemental i, de vegades, també altres unitats naturals.

Magnituds relacionades

La càrrega elèctrica elemental està relacionada amb l'estabilitat del nucli atòmic,l'activitat d'una substància radioactivai laradioactivitat.Per exemple, la càrrega elèctrica de laradiació beta(produïda per emissions d'electrons) és igual a la càrrega elèctrica elemental i el quadrat de la càrrega elèctrica elemental, e², és proporcional a la mida de la barrera a l'efecte túnelde laradioactivitat alfai al potencial coulombià de la partícula alfa un cop aquesta ha franquejat la distància del pou de potencial.

Altres càrregues elementals

La teoria dels quarks ha afegit conceptes de «càrrega» diferents a lacàrrega elèctrica,com lacàrrega de color,lacàrrega bariònica,lacàrrega leptònica,l'estranyesa,l'encant,labellesai laveritat.Cada una d'aquestes càrregues té una càrrega elemental.

Vegeu també

• Velocitat de la llum,c
• Acceleració de la gravetat,g