¿Qué es un cargo?

Soy un estudiante de secundaria. Amo las computadoras y la electrónica. Hace unas semanas, pensé en construir mi propio dispositivo electrónico, pero desafortunadamente no tenía mucho conocimiento en electrónica. Entonces, decidí aprender. Después de buscar en Google aquí y allá, me encontré con una gran cantidad de información. Nada, excepto una cosa, que me intimida y me intimida, ¿es eso lo que significa el término Cargo ? Ninguno de los libros dice lo que significa. Algunos dicen que es la propiedad básica del asunto y solo eso, y no definen más al respecto. Mientras que algunos ni siquiera se molestan en contarlo. En Wikipedia se define como:

La carga eléctrica es la propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando está cerca de otra materia cargada eléctricamente.

La definición es bastante difícil y confusa. De manera similar, de los tutoriales del sitio web All About Circuits obtuve un tipo diferente de definición y comprensión.

De los libros, llegué a saber que todavía no sabemos mucho sobre los cargos, incluso grandes científicos como Sir Stephen Hawking no saben mucho al respecto. ¿Es correcto? Si no es así, ¿por qué se escribió en los libros (quiero decir, libros no un libro), ¿cuál es su definición correcta? ¿Por qué la mayoría de los libros no definen qué cargos son / son?

Como dijo Ali, la carga es una propiedad (o característica o característica) de una partícula. La partícula podría ser un átomo, o podría ser solo una parte de un átomo como un electrón o un protón.

Desafortunadamente, no podemos decir mucho sobre por qué las partículas tienen esta propiedad, o qué hace que esta propiedad exista. Solo podemos describir algunas cosas que observamos sobre esta propiedad que llamamos cargo .

• La carga viene en dos tipos, que arbitrariamente etiquetamos como "positiva" y "negativa".

• Las cargas positivas se repelen entre sí con una fuerza que podemos medir, las cargas negativas se repelen de manera similar y las cargas opuestas se atraen entre sí.

• Encontramos que hay componentes de átomos llamados "protones" y "electrones" que siempre tienen carga positiva y negativa, respectivamente.

• El cargo se conserva. Eso significa que, en todos los experimentos que hemos probado, la diferencia entre la cantidad de carga positiva y negativa en un sistema cerrado es la misma al final del experimento que al principio del experimento, y por lo tanto creemos que esto es cierto para todos los sistemas cerrados en el universo.

Aunque no sabemos qué carga es o de dónde proviene originalmente, la descripción de lo que hace es suficiente para que podamos predecir muchas cosas útiles y hacer muchas herramientas útiles como radios y computadoras.

Para simplificarlo por ahora (una vez que llegue a la física de la universidad, esto se ampliará), la carga es la acumulación de electrones, o la falta de electrones donde esperaría que haya algunos. Los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva. Un átomo normal tiene la misma cantidad de electrones que los protones, por lo que no tiene carga neta.

En algunos átomos, los pocos electrones externos están algo "sueltos". Cuando tienes un montón de estos átomos uno al lado del otro, como los átomos de cobre en un cable de cobre, estos electrones sueltos pueden saltar entre átomos adyacentes. Sin embargo, si saltan demasiado lejos, dejan una carga positiva (ya que una negativa se fue) donde se fueron, y una carga negativa donde están. Este desequilibrio de cargas crea un campo eléctrico , que puede considerarse como un campo de fuerza que empuja y tira de electrones. Los electrones son atraídos hacia cargas positivas y alejados por los negativos. Por lo tanto, este campo eléctrico no permitirá que los electrones abandonen una ubicación y se acumulen en otra en el espacio de unos pocos átomos.

Una fuente de voltaje, como una batería, es algo que crea un campo eléctrico. Si conecta los extremos opuestos de la batería a los extremos opuestos de este cable de cobre con todos los electrones algo móviles, puede hacer que todos los electrones en promedio se muevan desde el extremo de voltaje negativo del cable al extremo de voltaje positivo. Para mantener el campo eléctrico aplicado al cable, la batería bombea los electrones que fluyen del extremo + del cable al extremo - del cable, donde nuevamente saltan entre los átomos de cobre y terminan en el extremo + nuevamente. .

El movimiento masivo de electrones se llama corriente , que es el flujo de cargas. Esto se parece mucho a que la corriente en un río fluye de pequeñas moléculas de agua. Como la carga de un electrón es muy muy pequeña y de poco uso a nuestra escala humana, usamos una unidad de carga llamada Coulomb . Sin embargo, un Coulomb es solo una pila de carga calibrada. De hecho, tiene un valor aproximado de 6.24 x 10 ¹⁸ cargas electrónicas. En realidad son -6.24 x 10 ¹⁸ electrones ya que arbitrariamente decidimos que los electrones tienen carga negativa.

Nuevamente, para mantener el rango de números más agradable a escala humana, medimos la corriente en amperios. , que es un Coulomb de carga que fluye por segundo. Entonces, si tiene 1 amperio (a veces "Amp" o la abreviatura oficial "A") que fluye de izquierda a derecha en un cable, entonces hay 6.240.000.000.000.000.000 de electrones que fluyen de derecha a izquierda por segundo más allá de cualquier punto a lo largo de ese cable.

Ahora que tiene una idea básica de la carga y la corriente, olvídese de los electrones que se mueven con sus cargas negativas. El resto de la electrónica está construida sobre amplificadores y culombios. Piense en eso como las unidades conceptuales de corriente y carga que utilizará a partir de ahora. El hecho de que estos (generalmente) se basen en cargas negativas reales es irrelevante y solo invita a la confusión.

Así que ahora volvamos a esa batería que causó corriente en nuestro cable. Una batería es realmente solo una bomba de carga. En otras palabras, puede hacer actual. Sin embargo, hay una métrica más que es importante mencionar aquí, que es lo fuerte que puede empujar la batería. Una batería puede presionar más fuerte las cargas que otra, al igual que una bomba de agua puede ejercer una presión más alta que otra. Es esta presión la que hace que el campo eléctrico haga que las cargas se muevan, que es la corriente. Esta presión eléctrica se mide en unidades de voltios . Cuantos más voltios pueda generar una batería, más corriente puede hacer que fluya a través de la misma resistencia . Esto es como una bomba de agua de mayor presión puede hacer que fluya más agua a través de la boquilla del mismo tamaño.

Entonces, ¿cómo podemos relacionar el voltaje, la corriente y la resistencia? Como probablemente pueda ver, más voltaje (presión) genera más corriente (flujo), pero más resistencia (boquilla más pequeña) genera menos flujo. Para poner esto matemáticamente:

  corriente = voltaje / resistencia

Esto también nos da una definición de resistencia al reorganizar esta ecuación:

  resistencia = voltaje / corriente

El concepto de resistencia surge mucho en la electrónica, por lo que tenemos una unidad especial solo para medirla, llamada Ohm . De hecho, el Ohm se define como:

  Ohm = Voltio / Amperio

Tenemos abreviaturas cortas para las tres cantidades, ya que casi todos los componentes electrónicos se basan en ellas. Un Volt se abrevia "V", el Amperio como "A" y el Ohm con la letra griega "Ω".

Esta ecuación que relaciona resistencia, voltaje y corriente es una piedra angular de la electrónica, y se llama Ley de Ohm , por el tipo que se le ocurrió por primera vez.

Volvamos a la primera forma de la ley de Ohm que mostré, que nos dice cuánta corriente tenemos:

  En cantidades físicas: corriente = voltaje / resistencia
  En unidades comunes: Amperios = Voltios / Ohmios, o A = V / Ω

Ya es un buen momento para pensar. Trata de entender esto antes de continuar. Haga preguntas aquí, ya que necesita comprender esto. Una vez que obtenga esto, podemos pasar a todo tipo de cosas interesantes.

La respuesta de Olin es excelente. Agregaría que una analogía podría ayudar.

(Para los propósitos de esta analogía, ignoremos todo después de Newton. La relatividad general y el bosón de Higgs son interesantes, pero no ayudarán a comprender la carga).

Probablemente tenga una comprensión instintiva de la masa , específicamente la masa gravitacional . ¿Pero, qué es esto?

La masa gravitacional es una propiedad de la materia que hace que experimente una fuerza, llamada gravedad, cuando está cerca de otra materia con masa. La cantidad individual de masa de un átomo es muy, muy pequeña, pero tenemos muchos de ellos y pueden sumarse para formar masas muy grandes.

Aunque todos los átomos tienen una pequeña cantidad de masa, algunos tienen mucho más que otros. Si tiene una bolsa de hidrógeno y una bolsa de plomo con el mismo número de átomos en cada una, una será mucho más masiva que la otra.

Una descripción numérica de cómo un objeto masivo afecta a otro se llama campo gravitacional . Si imagina una gran masa, digamos la Tierra, e imagina una pequeña masa, un cojinete de bolas, digamos, suspendida mágicamente en un punto por encima de la Tierra, si de repente deja que se mueva mágicamente, se movería en un dirección particular: hacia el centro de la Tierra. Imagine la Tierra rodeada por un campo de flechas diminutas, todas apuntando en la dirección en que caerían los rodamientos de bolas. La longitud de la flecha es la fuerza con que se tiraría el rodamiento de bolas: muy duro cerca de la superficie de la tierra, apenas pasando la órbita de la Luna. Ese "campo" de flechas es el campo gravitacional de la Tierra.

La carga es muy similar a la masa gravitacional. Como la masa, es una propiedad fundamental de la materia. Al igual que la masa, hace que dos objetos experimenten una fuerza entre ellos. Al igual que la masa, así como algunos tipos de materia son más masivos que otros, también algunos tipos de materia están más inclinados a producir carga que otros. Al igual que la masa, puede tomar una gran fuente de carga e imaginar un campo de flechas a su alrededor que le indique en qué dirección y qué tan fuerte sería la fuerza sobre una pequeña carga colocada allí; ese es el campo electrostático .

¿Cómo, entonces, la carga y la masa son diferentes? Las principales diferencias entre carga y masa son:

(1) La masa solo viene en un tipo, la carga viene en dos tipos. Toda la masa es atraída a todas las demás masas. Los cargos similares repelen, a diferencia de los cargos que se atraen.

(2) Las fuerzas de carga son enormemente mayores que las fuerzas gravitacionales. Frota un globo en tu cabello y pégalo al techo. ¡Las fuerzas de carga en ese globo son suficientes para superar la atracción de un objeto del tamaño de la Tierra! (Aunque es cierto que las distancias son relevantes. Su globo está a miles de metros del centro de la Tierra y muy cerca del techo). La fuerza entre masas es absurdamente pequeña en comparación con la fuerza entre cargas.

(3) La carga es extremadamente fácil de mover en comparación con la masa. El movimiento de carga a través de un conductor es una fracción significativa de la velocidad de la luz. (El movimiento de partículas cargadas individuales puede ser lento; piense en ello como abrir un grifo conectado a una manguera muy larga que ya está llena de agua. La onda de presión que arroja agua por el extremo comercial de la manguera viaja mucho más rápido por la manguera que el agua que sale del grifo lo hace)

La carga eléctrica es la propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando está cerca de otra materia cargada eléctricamente.

Suena como una muy buena definición para mí. Para citar a Richard Feynman:

"¡No podemos definir nada con precisión! Si lo intentamos, nos adentramos en la parálisis del pensamiento que llega a los filósofos, que se sientan uno frente al otro, uno diciendo al otro: '¡No sabes de lo que estás hablando!' El segundo dice "¿Qué quieres decir con saber? ¿Qué quieres decir con hablar? ¿Qué quieres decir con tú?", Y así sucesivamente ".

Más en serio sin embargo; En física clásica hay dos fuerzas importantes. La fuerza gravitacional con la que probablemente estés bastante familiarizado. Es la razón por la cual el sol orbita alrededor de la galaxia, la razón por la cual la Tierra orbita alrededor del sol y la razón por la cual las personas en China no se caen de la Tierra. Puede calcular la fuerza gravitacional entre dos objetos usando

See the symmetry there! Charge is to the electric force what mass is to the gravitational force! There are some assymetries such as the fact that charge comes in both plus and minus flavors while mass can only be positive, but don't worry about that for now.

Good luck with your project!

one thing, that daunts and intimidates me is that what the term Charge means?

First a bit of background...

Currently, we believe that, given the observations and experimental results so far, there are four "fundamental interactions" and the electromagnetic interaction is one of those four.

What is a fundamental interaction? From the linked Wikipedia article:

Fundamental interactions, also called fundamental forces or interactive forces, are modeled in fundamental physics as patterns of relations in physical systems, evolving over time, that appear not reducible to relations among entities more basic.

Imagine that you observe that two objects attract or repel each other but that said objects do not attract or repel other objects. In an attempt to explain or model this, you might hypothesize that the two interacting objects have a property that the other objects do not. You might even call this property a charge. You might further hypothesize, after additional observations, that there are two types and that "opposite charges attract" and "like charges repel".

In some cases, the interaction may be explainable by other known phenomenon or, it may be that we determine the interaction simply is - it is the given and the best we can do is model the interaction without being to explain it in terms of something 'more fundamental' .

This is what we do with electric charge and the electromagnetic interaction. We observe it and attempt to model it mathematically and use notions such as electric charge and electric field etc.

At some point, we may discover another, more fundamental 'layer' to reality and be able to answer the question "what is electric charge?" in those terms.

For example, some theorists imagine that electric charge is actually a vibrational mode of a fundamental 1D entity - a supersymmetric superstring - that somehow 'lives' in 10 or 11 dimensions of which 3 are our 'ordinary' spatial dimensions.

But this really only leads to the question "but what is this more fundamental stuff?" What is a supersymmetric superstring?

At this point, it's best not to wonder what electric charge is but, rather, to wonder how it works, e.g., Coulomb's Law.

Further, if you're interested in learning practical electronics, you'll really need to concentrate on circuit theory which is more concerned with voltage and current rather than electric charge.

I find it helpful to think of charge as a thing, along the lines of "one electron equals one piece of charge". I don't think that many concepts in electronics correspond directly to the concept of a physical object like this.

If charge is a thing, then 'voltage' describes the amount of energy associated with a particular charge (perhaps analogously to how some object might be hot or cold) and 'current' is the amount of charge that flows through a wire in a given time. The voltage on a capacitor is proportional to the amount of charge stored on its plates, where the proportionality constant is the size of the capacitor. And so on.

That's hugely simplistic, but you might find it a useful mental model to get started with.

To add to Olin's mental picture.

Think of the battery or power supply as something that can take electrons from one side and pile them up on the other so you have a starvation on one end of the circuit and an excess on the other. The starved side then starts pulling those loose electrons off the atoms on that end of the circuit, causing a ripple or chain effect. like a bucket brigade the loose electrons hop from atom to atom toward the starved side of the battery, and as you can guess when you follow that circuit all the way around to the other end of the battery where the atoms have too many electrons they are happy to give them out to the atoms in the circuit who then pass them around. the more the battery can starve one end and surplus the other the faster the atoms in the circuit try to compensate by moving those spares around the circuit. The flow of these spares around the circuit is current. The battery having a surplus on one end and starvation on the other is voltage.

Now how does the battery starve one end of electrons and give them to the other? Well that is the magic of batteries and a separate question. Sometimes it is a chemistry thing, a side effect of chemical reactions. But it depends on the battery technology. Likewise what if it isnt a battery lets say but a wall wart instead or AC coming out of the wall socket? Another good question.

I find it most easy to think of the flow of electrons as you would think of water in pipes, something you can visualize because you have most likely experienced pipes or hoses and water. Water is pumped from one end of the battery to the other, pushing it through the pipe (circuit) and landing in the starved end of the pump, to be pushed through again. We lose a little bit of water in the process so over time the pump just doesnt have enough water to make the thing work anymore (the battery is used up). Resistors are just kinks in the circuit that slow the water down. bigger wires are like a bigger pipe you can move more water through. The speed of the water is the current, hmmm...and so on.

The most precise answer would be "nobody knows". However, we can still study its properties.

We can model the whole world in terms of 'fields'. A field is like a stretched-out rubber sheet. The sheet doesn't have to be flat; in some places it may rise up and in other places it may dip down. These deviations act like charge. Of course, the real world is 3D but a sheet is only a 2D model.

There are different kinds of fields, based on the way their charge can behave.

There is a field where charge can only go 'one way', for example the sheet might only have upwards bumps, not downwards dips. We call this field gravity, and this 'one way' charge is called mass. Two masses (bumps) will always attract each other, but mass is quite feeble: the bumps aren't very high. This is why a tiny rocket engine is capable of moving away from the Earth, overpowering the mass of the whole planet. However, since all of the bumps go the same way, they will always build up, which results in huge structures like galaxies. The only reason everything hasn't attracted into one huge lump is because the Universe is expanding, which spreads everything out faster than gravity can clump it together.

There is a different field where charge can go 'two ways', for example upwards bumps and downwards dips. This is the electromagnetic field, which electronics is based on. The charge in this field is called 'electric charge', or just 'charge', and we distinguish between the two 'directions' by calling one 'positive' and the other 'negative'. These charges are stronger than mass, which we can see if we use a charged rod to pick up bits of paper. However, unlike mass, like charges will repel each other (positive-positive or negative-negative), and opposite charges will attract. This causes electric charge to get mixed together, like mixing white paint with black paint, so that the result is 'neutral' and it doesn't have much effect on very large (galactic) scales. However, quantum physics stops everything from mixing completely; when we look close enough, there are small, indivisible lumps of positive and negative charge. These are usually electrons and protons, but they're mixed together in little neutral lumps called atoms. Electronics is all about moving electrons around between atoms (note that pulling an electron away from an atom is not the same as 'splitting the atom', which means something else!).

There is another kind of field where the charge can go in three 'directions'. This is called the (strong) nuclear field and behaves in very strange ways. The charge of this field is known as 'colour', with the 'directions' called 'red', 'green' and 'blue'. Note that these are just made-up names, like 'positive' and 'negative', to make sure everyone is talking about the same thing. The words themselves don't mean anything.

If we imagine these fields as rubber sheets, we can stack them on top of each other. There will be patterns in the charge: the bump usually line up, so that, for example, an electric charge moves around with a mass. We call these patterns 'fermions', and give some names like 'electrons', 'pions', etc.

We can also make waves on the sheets. Waves on the electromagnetic sheet correspond to light waves.

Another field is usually mentioned, called the 'weak nuclear' field, but the recent Higgs boson discovery shows that this may actually be part of the electromagnetic field (a theory known as the 'electroweak' field).

A charge is a property that some of the elementary particles have. Such as the electron (which has a negative charge) and the proton (which has a positive charge).

Charges are measured in coulomb (read KOOLON) after a French scientist. The electron has -1.6*10^-19 C (negative charge) and the proton has a +1.6*10^19 C.

Charges (or particles that have these charges) of opposite polarities attract and those with same polarities repel each-other. Asking "why" at this level is like asking why the universe exists so things will get philosophical from here. It's just the way the universe works. So yeah... We don't know why a charge exists or how... or what it is exactly. We just call it a "property". And we only describe what it does or how it behaves. Note that we could've arbitrarily flipped the polarities of the charges (an electron would carry a positive charge and a proton would carry a negative one) and everything will still work as before. Because it's still a valid description.

Charge is not a property of the atom. Atoms (in their non-ionized state) are all neutral (they have no net charge : number of electrons == number of protons) Now if somehow an atom loses an electron, the number of positive charges (from protons) will be higher than the number of negative charges so it appears that the atom (now called an Ion/been ionized) carries a positive charge !

A current is a flow of charges. Some examples of that would be :

The flow of electrons in a metal (negative charges) is what you measure as a current in a copper wire.

The flow of ions (the aforementioned ionized atoms) is what constitutes the current in electrolytic solutions.

Say you have a particle, or a group of particles. Create a closed Gaussian surface around it. Then charge can be defined as the surface integral of the electric field flux through the Gaussian surface divided by the permittivity constant. I know this isn't what you were looking for (it's clearly going to be over your head) but I thought it might be a good addition to the other answers here that do answer your question. Or in other words charge is the extent to which something exists in an non neutral constant form.