Cuando se habla de partículas cargadas, la ley de la carga dicta que dos partículas con carga opuesta se atraerán y dos partículas con la misma carga se repelerán.
Sin embargo, nunca he visto por qué esto funciona. Entonces, a nivel fundamental, ¿por qué funciona la ley de la carga? ¿Qué es lo que hace que las cargas eléctricas similares se repelan y las opuestas se atraigan en el nivel más pequeño?
Entonces, a nivel fundamental, ¿por qué funciona la ley de la carga? ¿Qué hace que lo semejante se repela y lo opuesto se atrae en el nivel más pequeño?
Realmente estás pidiendo por qué lo semejante se repele y los opuestos se atraen en el nivel más pequeño.
La física no responde ultimate " por qué ", porque es una disciplina que describe con modelos matemáticos lo que se observa en la naturaleza. Los modelos se diferencian de los mapas porque no sólo se ajustan a los datos/medidas existentes, sino que también predictivo de nuevos resultados de experimentos y observaciones. A continuación, el modelo puede utilizarse para responder por qué preguntas de cómo de un estado se puede predecir o describir otro estado. La última por qué está contenida en el leyes y postula del modelo teórico, que son una destilación de las observaciones/mediciones o necesarias para identificar las funciones matemáticas con las mediciones físicas .
En el electromagnetismo fueron las observaciones de cómo la materia podía cargarse y de cómo las cargas interactuaban las que se convirtieron en el ley de Coulomb. Esto significa que la existencia de cargas opuestas asignadas a las partículas es un hecho de la naturaleza, una ley .
La ley de Coulomb, o ley del cuadrado inverso de Coulomb, es una ley física que describe la fuerza que interactúa entre partículas cargadas eléctricamente de forma estática.
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La fuerza de interacción entre las cargas es atractiva si las cargas tienen signos opuestos (es decir, F es negativa) y repulsiva si tienen signos similares (es decir, F es positiva).
Esta fue la observación macroscópica clásica que está implícita en las leyes y postulados del electromagnetismo, es decir los axiomas de la física que eligen entre la infinidad de soluciones matemáticas de las ecuaciones diferenciales del modelo matemático aquellas que describen la naturaleza y pueden predecir nuevas observaciones.
Una vez que se empezó a explorar el microcosmos, la mecánica clásica y la electrodinámica clásica se volvieron inadecuadas para describir y predecir los comportamientos. La mecánica cuántica y relatividad especial fueron necesarios para describir matemáticamente y predecir los resultados.
Las leyes del régimen clásico son también leyes del régimen mecánico cuántico o se puede ver que surgen de ellas. Esto es necesario porque debe haber una continuidad suave en las predicciones de las soluciones de los modelos en los espacios de fase donde ambos puntos de vista podrían utilizarse para calcular y predecir los comportamientos de las partículas cargadas.
Así que la respuesta a su pregunta de "¿Qué hace que lo similar se repela y lo opuesto se atraiga en el nivel más pequeño? porque eso es lo que dicen las mediciones y las observaciones . El "cómo" viene dada por la correspondiente teoría matemática de electrodinámica cuántica
La QED describe matemáticamente todos los fenómenos en los que intervienen partículas cargadas eléctricamente que interactúan mediante el intercambio de fotones y representa la contrapartida cuántica del electromagnetismo clásico, dando cuenta completa de la interacción entre la materia y la luz.
Así, el "cómo" puede describirse matemáticamente, dado el axioma de que Las cargas existen y lo similar se repele y los opuestos se atraen.
La carga eléctrica es fundamental para la estructura de la materia .
El núcleo atómico contiene protones, que atraen electrones que ocupan diferentes niveles de energía, o cáscaras de electrones alrededor del núcleo. Los átomos pueden convertirse en iones cargados eléctricamente al ganar o perder electrones de sus capas exteriores, desequilibrando la carga eléctrica dentro del átomo.
Benjamín Franklin acuñó los términos "positivo" y "negativo" para describir su teoría del fluido único de la electricidad. Describió la electricidad como un fluido que fluye desde objetos con exceso de fluido eléctrico (positivo) hacia objetos con déficit de fluido eléctrico (negativo).
Por convención, los objetos que pueden perder electrones se denominan negativos, y los objetos que pueden ganar electrones se denominan positivos. Pero también por convención, se considera que el flujo de electricidad se mueve de positivo a negativo (gracias a Franklin). Así, por convención, se dice que la corriente eléctrica fluye en sentido contrario al flujo real de electrones en un conductor.
La fuente de la carga eléctrica es la atracción entre protones y electrones en el átomo, y la repulsión de cada uno por su propia clase. Hasta donde yo sé, no hay una explicación clásica de por qué existe esa atracción y repulsión en protones y electrones. Es una fuerza fundamental en el Universo.
Respuesta corta:
Es una consecuencia de
La física se rige por un principio de acción estacionaria
Localidad
El lagrangiano es la invariancia de Lorenz
Invariancia galvánica
Respuesta larga (y todavía se salta muchas matemáticas):
Desde un punto de vista relativista:
Partiendo del principio de acción, intentamos escribir una acción simple que implique el potencial de acción $\vec{A}$ y la carga eléctrica $q$
$$Action = \int -mc^2 d\tau -\frac{q}{c} A_\mu dx^\mu$$ Multiplicando por $\frac{dt}{dt}$ $$\int\left(-mc^2\sqrt{1-\left(\frac{\dot{x}}{c}\right)^2} -\frac{q}{c} \left(cA_0 + A_m\dot{x}^m\right)\right)dt$$ Por lo tanto, $$\mathscr{L}=-mc^2\sqrt{1-\left(\frac{\dot{x}}{c}\right)^2} -\frac{q}{c} \left(cA_0 + A_m\dot{x}^m\right)$$ Tras aplicar las ecuaciones de Euler-Lagrange, obtenemos $$ma^m=q\left(\left(\partial_0A_m-\partial_mA_0\right)\vec{u}^0+\left(\partial_nA_m-\partial_mA_n\right)\vec{u}^n\right)$$ $$F=q\left(\vec{E}+\vec{v}\times\vec{B}\right)$$ También podríamos definir un tensor, $F_{\mu\nu}$ para simplificar la ecuación $$F^\mu=eF^\mu_\nu u^\nu$$ Dejemos que $j^\mu=(cp,j^m)$ donde $j^m$ es la densidad de corriente convencional. Consideremos ahora $$\mathscr{L}=F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}+j^\mu A_\mu$$ Puede parecer que no es invariante gauge al principio, pero después de añadir gauges, uno ve que sí es invariante gauge. Tras aplicar las ecuaciones de Euler-Lagrange para los campos, se puede obtener $$\nabla\cdot\vec{E}=\frac{j^0}{c\epsilon_0}$$ De esa ley de la columna se puede derivar. $$\vec{E}=\frac{kq}{r^2}\hat{r}$$ Dejar $\vec{B}=\vec{0}$ , $\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q}$ $$\frac{\vec{F}}{q}=\frac{kq}{r^2}\hat{r}$$ $$\vec{F}=\frac{kq^2}{r^2}\hat{r}$$ Por lo tanto, si las cargas son iguales, se repelen, si no, se atraen.
¿Por qué la ley de la carga funciona a nivel fundamental?
La física no tiene por el momento una teoría a nivel subatómico (por debajo del nivel de los fotones virtuales) que describa cómo funciona la interacción entre las partículas cargadas. Además, no hay ninguna observación que haya detectado la estructura interna de estas interacciones.
La teoría de trabajo más cercana describe esta interacción con la ayuda de fotones virtuales . Para los físicos de la enseñanza universitaria esto parece a veces extraño. Para ilustrar, aquí hay algunos ejemplos de este lado:
Las teorías físicas pueden seguir los hechos observados o pueden desarrollarse a partir de fenómenos no descritos en una teoría o no descritos de forma suficientemente satisfactoria. Esto último se denomina razonamiento deductivo .
Ya que en física está permitido construir teorías, intentemos en breve construir una para las partículas cargadas. Siguiendo el modelo estándar queremos intentar utilizar de nuevo las partículas.
Cuántas partículas se necesitan
Sólo los fenómenos gravitacionales no necesitan más de una partícula. Un hipotético gravitón es suficiente para describir la gravitación. Para las interacciones electromagnéticas se necesitan como mínimo dos tipos diferentes de partículas. Llamémoslas p- y e-quanta .
Además, podríamos seguir el modelo de líneas de campo eléctrico y magnético. Estas líneas tienen un comportamiento estable. Para construir líneas de campo a partir de sólo dos tipos de constituyentes es útil definir -mientras no se encuentre una inconsistencia en la hipótesis desarrollada- un conglomerado hipotético de estas dos partículas, que podríamos llamar racimos . Los cúmulos tienen que tener una estructura interna. Pero la estructura interna es desconocida para nosotros y no nos importa. Las únicas dos cosas que tenemos que definir es que
Añadir la hipótesis
alcanzamos la plenitud de nuestro modelo.
Utilización de la hipótesis de los grupos cuánticos
Es bien sabido que las partículas cargadas electrón y protón tienen tanto un campo eléctrico como un momento dipolar magnético. Además, es un hecho que los fotones también tienen una componente de campo eléctrico y un momento dipolar magnético. Además, está establecido que los fotones son emitidos y absorbidos por electrones y fotones.
Siguiendo el modelo descrito anteriormente es posible entender más en detalle
Ventajas y predicciones de un modelo de clústeres cuánticos
Nadie puede impedir ni prohibir que se piense en estos u otros modelos. En la ciencia, los modelos están a la altura de la detección de incoherencias. La no observación de los cuantos del modelo sigue la tradición de postular los átomos (ἄτομος indivisibles) por los antiguos griegos, postular las antipartículas, o postular la partícula de Higgs.
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