¿Qué hace que un electrón y un protón se opongan a las cargas eléctricas?

En primer lugar, mientras que un electrón es una partícula elemental, un protón no lo es. El protón consta de tres quarks, que llevan cargas eléctricas fraccionales: un quark down (carga -1/3) y dos quarks up (carga +2/3).

En cuanto a por qué la naturaleza favorece este contenido de partículas en nuestro universo en lugar de alguna otra combinación de partículas fundamentales y compuestas … quién sabe. Si hay una razón matemática / física fundamental por la que solo puede ocurrir esta combinación en particular, aún queda por descubrir. Y si no hay … tal vez no hay ninguna razón en absoluto. El universo, si es que existe, debe tener algunas propiedades, y tal vez no tenga sentido preguntarse por qué tiene este conjunto particular de propiedades en comparación con otras.

En general, una buena pregunta, pero que puede no tener una respuesta basada en la física.

El siguiente es mi punto de vista sobre el tema: la relación de carga entre el protón y el electrón es una extensión de la relación entre los terminales positivo y negativo de una batería o de los polos de un generador o motor de CC. Es una condición situacional que depende de la tangibilidad empírica del movimiento relativo de las dos partículas. Los electrones son las cosas que se deducen y detectan para moverse de un polo al otro en los sistemas atómicos y macroscópicos. Es el movimiento el determinante esencial de la relación y la dicotomía entre positivo y negativo. Puedo ilustrar esto con una pequeña fórmula que he desarrollado para mostrar lo que en ciencia puede considerarse una paradoja de conceptos aparentemente contradictorios, gravedad y electrostática. Publiqué esto en el blog de Leonard Susskinds hace unos años y lo reproduzco aquí para usted:

El reto:

Si usa la fórmula para la fuerza en la ecuación gravitacional de Newton: F = G Mm / r ^ 2,
en el protón y el electrón del átomo de hidrógeno encontrará que la atracción es un número muy pequeño, en comparación con la fuerza electrostática.
Sin embargo, si en lugar de G, usa la siguiente expresión:

Gs = (1 / (M + m)) * r * Vo ^ 2 * c ^ 4 / (Vo ^ 2 + c ^ 2) ^ 2,

donde Vo es la velocidad orbital, c es la velocidad de la luz y Gs es lo que yo llamo G especial, por lo tanto:
F = Gs * M * m / r ^ 2,
encontrará que el cálculo produce exactamente la cifra aceptada para la fuerza electrostática del átomo de hidrógeno de Bohr.
De hecho, si usa Gs en lugar de G para la ecuación de fuerza para cualquier planeta, siendo r la longitud del eje semi mayor y Vo la velocidad orbital promedio, entonces el resultado será el mismo que si hubiera usado solo G, Newtons constante, en primer lugar, porque bajo esas condiciones Gs = G.
Esto es el resultado de la dependencia de la ecuación en la velocidad orbital; En el caso atómico, esta velocidad es alta, y se traduce en una atracción mucho mayor, mientras que en el caso planetario la velocidad es lenta en relación con la velocidad de la luz, dando el valor clásico de la fuerza.

Esto no es un truco, o una mera rareza matemática. Es un hecho de la naturaleza, derivado de leyes físicas y ecuaciones.
De hecho, al comprender cómo se han derivado estas ecuaciones, se puede ver que esto establece la relación entre la gravedad y la electrostática y, por extensión, las fuerzas electromagnéticas.

m = 9.1e-31, masa del electrón kg
M = m * 1836.15, masa de protones
r = 5.29172e-11, radio de H, radio de Bohr, metros
c = 2.99792458e8, velocidad de la luz en M / s
ke = 8.99e9, la constante NM de Coulomb ^ 2 / C ^ 2
q1, q2 = 1.6e-19, carga de electrones y protones en el átomo de H
Vo = sqr ((ke * q1 ^ 2) / (m * r)) = 2.186153e6 m / s, velocidad orbital
Fuerza de la fórmula electrostática, fe = ke * q1 * q2 / r ^ 2 = 8.21875e-8
Fuerza de la fórmula especial G, Fg = Gs * M * m / r ^ 2 = 8.2134e-8
ke = 8.99e9, la constante NM de Coulomb ^ 2 / C ^ 2
q1, q2 = 1.6e-19, carga de electrones y protones en el átomo de H
Para casos planetarios: F = Gs * M * m / r ^ 2, algunos ejemplos:
Masa del sol M = 1.9891e30 kg, Newton’s G = 0.667384e-10
Para la Tierra m = 5.97219e24, r = 1.49598262e11, Vo = 29788, F = 3.53e22, Gs = .66735e-10
Marte m = .641693e24, r = 2.27943824e11, Vo = 24136, F = 1.64e21, Gs = .66759e-10
Júpiter m = 1898.130e24, r = 7.78340821e11, Vo = 13065, F = 4.1589e23, Gs = .66732e-10
Saturno m = 568.319e24, r = 1.426666422e12, Vo = 9647.7, F = 3.7067e22, Gs = .66732e-10

11 de marzo de 2015 a las 4:18 p.m.

Una imagen, para complementar la buena respuesta de Victor Toth:

Cuando ocurrió el Big Bang, se liberó mucha energía, pero no hubo partículas. Luego aparecieron los gravitones en el Universo y absorbieron toda la energía liberada por el Big Bang. Estas partículas son enérgicas y comenzaron a unirse entre sí con una fuerza interna en espiral. Así dieron a luz a los protones. Cuando giran hacia adentro con fuerza para formar protones y salen de ellos, pierden algo de energía debido a la fricción dentro de los protones. Entonces los protones se cargan positivamente. Los gravitones que perdieron algo de energía estaban haciendo electrones como subproducto. Entonces los electrones se cargaron negativamente. Los gravitones continuaron su trabajo para combinar protones y electrones para formar átomos. Cuando los gravitones entran y salen de los átomos, son neutrales. Los gravitopnos transportan la energía de la gravedad que dio origen a las estrellas y galaxias y a todos los elementos que conocemos hoy.

Gracias por preguntar.

Vea mi comentario debajo de la respuesta de David Wrixon a su pregunta.

¿Qué le da a una partícula una carga eléctrica? Para mí se reduce a la configuración de la partícula. Esto determina su configuración de campo. De la interacción observada con otros campos, se dice que la partícula tiene una carga positiva o negativa o no.

Un objeto complejo puede tener una carga (o no) cuando la suma de sus campos superpuestos individuales se redondea a una configuración particular.

Comentarios bienvenidos

Si recuerdas la historia de descubrir la carga como una identidad física, donde si frotas cierta materia con la materia, algunas dan carga negativa y otras dan carga positiva, así es como se comporta la naturaleza. Ahora, por naturaleza, la materia está hecha de átomos, estos átomos son neutrales aunque están hechos de electrones de carga negativa, por lo que el núcleo debe tener una carga diferente

Esto es en general, pero de hecho el protón está hecho de tres partículas elementales, son 2 quarks hacia arriba cada una con carga + 2 e / 3, y un quark hacia abajo con carga (-e / 3), si agrega estas cargas obtener 4 e / 3-e / 3 = 3 e / 3 = + e, como carga de protones que es opuesta a la carga de electrones (-e).

No lo se amigo. Para ser sincero, tampoco creo que los científicos lo sepan. Esta es una de las observaciones que se toma como un hecho. Además, no resuelve ningún problema si lo sabemos, es decir, podemos vivir con él. Tal vez, en la plenitud de los tiempos, la ciencia eventualmente descubra qué hace que una carga eléctrica y explique la diferencia entre positivo y negativo.

Tenga en cuenta que las etiquetas ‘positivo’ y ‘negativo’ son arbitrarias, pero es un estándar sugerido por Benjamin Franklin y adoptado en todo el mundo. Es similar a la definición arbitraria de ‘materia’ y ‘antimateria’.

Personalmente, no creo en la antimateria porque, si existe tal cosa, tendríamos 2 tipos de carga positiva y 2 tipos de carga negativa. Pero descubrirá que solo hay uno de cada uno, es decir, la carga negativa en el llamado antiprotón es la misma que en el electrón. Esto significa que el antiprotón es un protón cargado negativamente y no antimateria.

Probablemente esté relacionado con el hecho de que el protón está formado por tres quarks, de signo +2/3, y al agregar un electrón se obtiene -1/3.

Entonces el protón es de tres quarks, 2/3, 2/3, 2/3, -1, y el electrón no tiene quarks da -1.

Incluso bajo un modelo antiguo, el mundo estaba hecho de protones y electrones.

Pensé que Ron Davis iba a decirlo en su buena respuesta, pero no lo hizo, así que lo haré: eche un vistazo al principio antrópico. Dice “el universo es como es porque si no fuera así, no habría personas que se preguntaran por qué era así”. Ron explicó que si hubiera un pequeño desequilibrio entre las cargas netas de electrones y protones, nuestro universo sería una criatura totalmente diferente.

“Hace” es una palabra extraña para usar aquí. Nada “hace” que tengan cargos opuestos, simplemente lo hacen . (¡Por suerte para nosotros!)

Solo hay dos tipos de carga eléctrica.

Me pregunto cómo serían tres tipos de carga.