O que significa dizer que uma carga elétrica é conservada? E quantizada? Cite alguns exemplos.
Passo 1
O enunciado pede para explicar dois conceitos fundamentais de eletrodinâmica: a conservação da carga elétrica e a quantização da carga elétrica. Para isso precisamos recorrer às leis de simetria e à estrutura discreta da matéria.
Passo 2
Definir o que significa dizer que a carga elétrica é conservada. A conservação de carga afirma que, em um sistema isolado, a soma algébrica das cargas elétricas não muda com o tempo; ou seja, não se cria nem se destrói carga, apenas se transfere de um corpo para outro. Essa propriedade decorre da invariância de fase global da função de onda no eletromagnetismo (teorema de Noether) e se manifesta na equação da continuidade:
onde
é a densidade de carga e
a densidade de corrente.
Passo 3
Citar exemplos de conservação de carga:
• Num circuito elétrico fechado, mesmo que cargas se movam pelos condutores, a carga total armazenada nos condutores e componentes permanece constante.
• Numa reação de ionização de um átomo, se um elétron é arrancado, o sistema átom létron continua com a mesma carga total antes e depois da reação.
• Em experiências com eletroscópio, ao aproximar um corpo carregado, a carga se redistribui, mas a soma das cargas nos dois objetos não varia.
• Num circuito elétrico fechado, mesmo que cargas se movam pelos condutores, a carga total armazenada nos condutores e componentes permanece constante.
• Numa reação de ionização de um átomo, se um elétron é arrancado, o sistema átom
• Em experiências com eletroscópio, ao aproximar um corpo carregado, a carga se redistribui, mas a soma das cargas nos dois objetos não varia.
Passo 4
Definir o que significa dizer que a carga elétrica é quantizada. A quantização da carga diz que qualquer carga livre somente aparece em múltiplos inteiros de uma carga elementar
. Matematicamente:
onde
é a menor carga isolada observada na natureza.
é a menor carga isolada observada na natureza.
Passo 5
Citar exemplos de quantização de carga:
• O elétron e o próton possuem cargas e
, respectivamente, e não se encontra carga livre menor que
.
• Quarks têm cargas ou
, mas só aparecem confinados dentro de hádrons, de modo que a carga total observável também é um múltiplo inteiro de
.
• Cristais iônicos, como o cloreto de sódio, mostram cargas localizadas em íons e
, cada um com carga inteira
.
• O elétron e o próton possuem cargas
• Quarks têm cargas
• Cristais iônicos, como o cloreto de sódio, mostram cargas localizadas em íons
Resposta
A carga elétrica é conservada porque, em qualquer processo isolado, a soma total de todas as cargas não se altera, apenas se redistribui. A carga é quantizada porque só existe em múltiplos inteiros da carga elementar
; exemplos: elétron
, próton
e quarks confinados com frações de
que somam um inteiro.