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Hablemos un poco sobre lo que me parece ser una de las
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más misteriosas fuerzas del universo.
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En realidad, creo que todas las fuerzas del universo son
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bastante misteriosas, así que hablemos un
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poco sobre la carga.
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Y todos hemos oído hablar de la carga..
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Cargar una batería.
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Esta partícula tiene carga.
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Pero cuando realmente piensas en ello, todo lo que la carga significa es
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que hay una propiedad llamada carga, y sabemos
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que si algo tiene una carga positiva--y llamarla
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positiva es un poco arbitrario,
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No es como si los protones tuvieran pequeños signos mas escritos en ellos.
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Los podríamos haber llamado negativos.
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Pero cuando algo tiene una carga positiva y cuando
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otra cosa tiene una carga positiva,
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se repelen mutuamente.
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También sabemos que si tenemos algo más, otra
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partícula que tenga una carga negativa, y una vez
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más, la palabra "negativa" que se le aplica es
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completamente arbitraria.
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Podrían haberse llamado carga azul y carga roja, pero todo
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lo que sabemos es que cuando un objeto tiene la otra carga-
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en este caso, la llamamos negativa-- va a ser
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atraído por una carga positiva.
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Entonces, ¿Qué sabemos sobre la carga?
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La carga es una propiedad que tienen las partículas, y si pones
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suficientes partículas juntas, supongo que los objetos tienen esa
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propiedad también.
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Así que es sólo una propiedad.
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Y esto es una manera de decir que realmente no
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sé lo que es.
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Y francamente, nadie fundamentalmente
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sabe lo que es.
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En realidad, nadie realmente sabe nada fundamentalmente.
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Pero la carga es una propiedad de las partículas y
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los objetos, tal como la masa.
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Es decir, si lo piensas, la masa es sólo una propiedad.
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Y en cierta medida, parece un poco más real que
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la carga, porque nuestros cerebros están cableados para de alguna manera
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comprender qué es la masa, pero probablemente entendemos
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el peso y el volumen más que la masa, pero podemos seguir pensando
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en eso en otro momento.
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La carga es un poco más abstracta porque, antes de que
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comenzáramos a frotar ámbar en nuestro cabello, realmente no
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experimentamos mucha carga a menos que nos haya caído un rayo.
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Así que la carga es una propiedad que tienen las partículas u objetos, y
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sabemos que hay dos tipos de carga, que hemos
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nombrado arbitrariamente, positiva y negativa.
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Y sabemos que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas
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o diferentes se atraen, ¿verdad?
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¿Qué podemos hacer con esto?
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Pues bien, si tenemos esta propiedad, creo que una cosa útil
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para hacer sería medir la propiedad, y así
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inventamos las unidades, y así la unidad de carga se llama
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el coulomb.
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Su nombre proviene de un científico del siglo XVIII, que jugó
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mucho con la carga.
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Puedes saber más de él en Wikipedia.
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Pero bien, se llama el coulomb y el coulomb--hay un
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manojo de definiciones, pero a mí me gusta pensar en términos
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de partículas elementales, simplemente porque, en cierta medida,
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a menos que te metas en teoría cuántica y empieces a hablar
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de los quarks y esas cosas, la carga elemental es la
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carga de un protón o un neutrón.
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Así que detallaré en el futuro especificamente
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la estructura de los átomos y cualquier otra cosa, pero déjenme
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traer un pequeño ejemplo.
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Un átomo suele tener algunos neutrones, que no
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tienen esta propiedad de la carga.
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Va a tener algunos protones, que
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tienen una carga positiva.
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Una vez más, está
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arbitrariamente definida como positiva.
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Podríamos haberla llamado carga roja.
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Y tambiéni tiene estas cosas flotando a su alrededor que son mucho
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mucho, mucho más livianas que los protones y los neutrones en
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el núcleo y se llaman electrones.
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No está aún claro que sean objetos reales.
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Son casi como la energía, pero a veces resulta útil
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verlos como objetos.
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A veces es útil verlos como--
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pues bien, no como objetos.
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Y hablaremos de todo eso más adelante, pero los electrones tienen
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una carga negativa.
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Y la unidad fundamental de carga, por lo que
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sabemos hasta ahora antes de empezar a hablar de los quarks y
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otras partículas potencialmente subatómicas, es que es la carga en un
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electrón o protón.
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Y tienen exactamente la misma carga, y esa carga
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elemental se denota por "e".
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Y para ser franco, no estoy seguro si "e" es por
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elemental o si "e" es por electrón.
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Pero en realidad, "e" es igual a la carga de un protón por lo
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que probablemente significa carga elemental de un protón.
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Y la carga de un electrón es el negativo de esto, así que
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"menos e" es la carga de un electrón.
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Pero si no nos importa el signo, entonces las
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magnitudes son las mismas.
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Así que esto es lo fundamental hasta donde sabemos o hasta ahora en
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nuestra física.
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Esta es la carga fundamental.
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La unidad fundamental de carga es la carga de un protón
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o de un electrón.
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Entonces, ¿cómo se relaciona esto con un coulomb?
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Bueno, un coulomb, que lo denotamos por C es igual a--, y
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este número es un poco arbitrario, pero cuando empecemos a
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hacer cosas con electricidad, vamos a ver por qué el coulomb
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se define de esta forma, pero un coulomb es 6.24 por 10 a
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la dieciocho por e.
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O se puede decir que es 6.24 por 10 a la décimo octava potencia veces la
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carga de un electrón--en realidad, veces la carga
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un protón y luego, por supuesto, en términos de magnitud.
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Porque si simplemente digo "coulomb", no le
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estoy dando realmente una dirección.
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Así que si lo miras del otro lado, se puede decir que
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la carga elemental es igual a--por lo menos su magnitud--
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a 1,6 por 10 a las menos 19 coulombs.
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Pues bien.
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Este puede ser un número útil de memorizar, pero se lo
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suele proporcionar por lo general.
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¿Qué podemos hacer?
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Decimos que estos objetos tienen esta propiedad denominada carga.
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Las cargas iguales se repelen.
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Las cargas diferentes se atraen.
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Si tenemos suficientes de estos protones juntos, entonces el
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objeto entero tiene carga.
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Si tenemos más protones que electrones, entonces tenemos una
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carga positiva.
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Si tenemos más electrones que protones,
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tenemos una carga negativa.
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Y sabemos que hemos definido esta unidad de carga llamada el
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coulomb, que es un montón de los cargas fundamentales.
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Así que vamos a jugar con esto y ver si
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podemos medir la carga.
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Así que parte de la definición inicial--supongo que podríamos llamarla así--
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de lo que es la carga, que como dije, las cargas iguales
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se repelen, ¿verdad?
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Las cargas iguales se repelen, así que ambas estas son positivas.
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Se van a repeler mutuamente.
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Y con las cargas diferentes, si esta es negativa, esta es positiva
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se van a atraer mutuamente ¿verdad?
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Así que por definición, si se mueven entre sí, estas dos
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partículas se van a acelerar
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alejándose entre sí.
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Estas dos partículas se van a acelerar
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acercåndose entre sí.
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La carga entre estas partículas o la carga en
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cada una de estas partículas debe estar generando algún tipo de
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fuerza, ¿verdad?
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Si no hubiera ninguna fuerza que se genere, entonces no
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se repelerían o atraerían entre sí, y así llegamos a
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la ley de Coulomb y es el porqué nombramos
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las cargas por Coulomb.
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Coulomb se dio cuenta de que la fuerza entre dos cargas es
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igual a--y esto va a ser una cantidad vectorial, y
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en unos 30 segundos, te voy a decir lo que sucede con la
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dirección--es igual a una constante por la primera
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carga por la segunda carga dividido por la distancia
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entre ellos al cuadrado.
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Y está buenísimo porque se parece mucho a
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--así que si la llamamos la fuerza, la fuerza eléctrica,
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se parece mucho la ecuación de la fuerza gravitacional.
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Permítanme que lo anote.
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La fuerza de gravedad entre dos masas es igual a la
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constante gravitacional por m1 por m2 dividido por el
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cuadrado de la distancia entre ellas.
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Hasta ahora, las dos fuerzas que hemos cubierto, la gravedad, y
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ahora estamos viendo la fuerza eléctrica y veremos finalmente
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como se expande a la fuerza electromagnética, parece que
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actúan a la distancia de una manera similar, y ambas
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fuerzas se emplean en el vacío.
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Así que no importa si no tienes aire, si no tienes ninguna
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sustancia entre las dos partículas, de alguna manera se
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comunican entre sí, lo que me parece
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bastante increíble, ¿verdad?
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Puedes no tener nada entre estas dos partículas, pero
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de alguna manera, esta partícula sabe que esa partícula está allí y
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esa partícula sabe que esta partícula está allí y
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comienza a moverse sin tener ninguna--no es como si tuvieran
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un alambre conectado entre sí y alguien le está diciendo a la
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otra partícula, mira, hay una partícula allí.
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Empieza a moverse.
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Así que no sé si les parece tan sorprendente como a mí, pero
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piénsenlo, y quizá sí.
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Y es tal como la gravedad.
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Es decir, las dos masas no están de ninguna manera conectadas.
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podrían estar en un vacío, pero de alguna manera, saben
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que la otra partícula está allí.
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Y cuando empecemos a aprender sobre la relatividad especial y
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todo eso, aprenderemos que no hay nada allí, pero
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tal vez las masas en realidad están dándole forma al universo
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Y a lo mejor es lo que está sucediendo con las
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cargas eléctricas también.
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Pero todo lo que sabemos en este momento es que tenemos estas cargas
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y que ejercen una fuerza mutua que es proporcional
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al producto de sus cargas respectivas dividido por
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el cuadrado de la distancia entre ellas.
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Y esta constante de aquí--siempre se me olvida.
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¿Qué era?
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Creo que es 6.--siempre se me olvida cuánto vale esa constante.
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Es 9 por 10 a la novena potencia.
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Se redondea, por supuesto.
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Sería sorprendente si fuese exactamente 9.
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9 por 10 a la novena, y las unidades son newton-metro
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al cuadrado por coulomb al cuadrado.
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Y ¿por qué son esas las unidades?
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Bueno, prácticamente porque al final, tenemos el coulomb,
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coulomb, por lo que vamos a tener el coulomb al cuadrado dividido
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por metro cuadrado, y queremos terminar con newtons, por lo que
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queremos cancelar el coulomb al cuadrado, poniendo el
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denominador.
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Queremos que cancelan el metro cuadrado, poniendolo
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en el numerador y luego tendremos los newtons para obtener
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la fuerza, así que de allí vienen las unidades.
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Por lo tanto, averigüemos la
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fuerza entre dos partículas.
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Digamos que tenemos--y he pasado 10 minutos con una
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explicación bien larga, pero los problemas reales que verán
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en sus clases de física son bastante directos cuando se
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tratan de la ley de Coulomb.
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Así que dicen, bueno, tenemos un positivo--tenemos una partícula
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aquí que tiene una carga positiva de más--déjenme pensar
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en un buen número--más 5 por 10 a la menos 3
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coulombs, por lo que es una carga positiva.
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Y, después tenemos una carga negativa aquí, así que digamos
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que--no sé.
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¿Cuán lejos las hago?
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Digamos que están a medio metro de distancia, 0,5 metros de distancia,
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y luego tengo una carga negativa que es menos 10
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por 10 a la menos 2 coulombs.
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¿Cuál es la fuerza entre estas dos partículas?
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Así que si las metemos en la ley de Coulomb, obtenemos la
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fuerza debido a la electricidad.
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La fuerza eléctrica.
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No debido a la electricidad.
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Eso aún no lo hemos hecho.
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La fuerza eléctrica estática entre esas dos partículas
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es igual a la constante 9 por 10 a la novena potencia para la
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primera carga, por 5 por 10 a la menos 3 por la
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segunda carga--voy a ponerlo de otro color--
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menos 10 por 10 a la menos 2--lo acabo de reescribir,
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aunque probablemente no se puede ver--dividido por la
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distancia al cuadrado, así que 0,5 al cuadrado.
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Simplemente lo metimos en esta fórmula.
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eso es igual a- veamos.
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9 por 0,5 por 10
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Sólo voy a hacer el 10 por separado.
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Así que por menos 10
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Esto es 0,5 por menos 10 es menos 5 por 9 es menos 45,
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y, a continuación, 10 a la novena menos 3, así que 10 a la sexta, y
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entonces menos 2, así que 10 a la cuarta--por 10 a la
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cuarta-- dividido por ¿cuánto es 0,5 al cuadrado?
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es 0,25, ¿verdad?
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¿Y esto es igual a qué?
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Es igual a 4 por lo de arriba, 160, y además esto es igual
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a menos 180 por 10 a la cuarta newtons.
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Y en realidad, esto podría parecer un número grande, pero estas
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cargas que puse aquí son bastante grandes en realidad,
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y llegarán a tener una intuición de lo que es una carga grande
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una carga pequeña más adelante.
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Pero estas son cargas razonablemente grandes, y es por esto que
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hay una fuerza relativamente grande que se ejerce entre estas
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dos partículas.
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Ahora, tenemos un número negativo, así que ¿qué significa?
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Sabemos que las partículas opuestas se atraen, ¿verdad?
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Casi por definición.
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En este caso, tuvimos una positiva y una negativa, por lo que
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cuando terminamos con una fuerza negativa cuando usamos la ley de Coulomb,
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significa que la fuerza atraerá a las dos partículas
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mutuamente a lo largo de la distancia más corta entre ellas.
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Es decir, no va para hacerlos entrar en una curva.
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Como que tiene sentido.
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Si tuviéramos una positiva allí, eso significa que la fuerza estaba
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repeliendo a las dos partículas.
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Y si se llegan a confundir, sólo piénsenlo:
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si son negativas ambas, se van a repeler.
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Si son ambos positivos, van a atraer.
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Los veré en el siguiente video.
