Carga eléctrica, Electrización y Conservación de la carga

La Carga Eléctrica

Un átomo está formado por partículas diminutas. De estas partículas, el electrón y el protón son las que nos interesan para nuestro estudio.

El átomo está formado por un núcleo que, a su vez, está compuesto fundamentalmente de neutrones y protones, y por una corteza constituida por electrones que giran en distintas orbitas alrededor del núcleo como se muestra en la imagen.

Los electrones son partículas cuya energía eléctrica ha sido designada convencionalmente como negativa. los protones tienen la misma cantidad de energía eléctrica que los electrones, pero de signo positivo. los neutrones, en cambio, carecen de energía eléctrica.

Estas cargas opuestas se atraen unas a otras, esta atracción es la responsable de que el átomo se mantenga unido. en condiciones normales las cargas positivas y negativas en el átomo tienen el mismo valor. esto se debe aquel átomo tiene el mismo número de electrones y de protones. Cuando un átomo tiene el mismo número de electrones que de protones se dice que es eléctricamente neutro.

Debido a las fuerzas externas, los átomos pueden ganar o perder electrones, transformándose en iones. si se producen exceso de electrones, el átomo queda cargado negativamente (ion negativo) en caso contrario el átomo queda cargado positivamente (ion positivo). Es posible producir, por frotamiento un trasvase de electrones de ciertos materiales a otros.

Si tuviéramos que definir la carga eléctrica en una frase podría ser la siguiente:

Es una propiedad física de algunas partículas subatómicas que se manifiesta en forma de fuerzas de atracción y de repulsión entre ellas a través de sus campos electromagnéticos

Electrización

Es posible llevar a cabo diversos experimentos para demostrar la existencia de las fuerzas y las cargas eléctricas, una manera sencilla de generar una carga eléctrica es por medio del rozamiento, por ejemplo, si se frota vigorosamente un globo de hule con un paño de lana. los electrones pasaran del paño al globo, y el globo quedará cargado negativamente, si luego el globo se coloca contra una pared, la carga negativa del globo repelerá a los electrones de la superficie de la pared. Esto, a su vez, causará que la superficie de la pared quede cargada positivamente. la atracción entre las cargas opuestas del globo y de la pequeña área de la superficie de la pared es lo suficientemente intensa para mantener al globo en ese lugar.

Cuando los materiales se comportan de esta manera se dice que están electrizados o que se han cargado eléctricamente.

Conservación y cuantización de la carga

El principio de conservación de la carga nos indica que:

La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante.

Si se frota una varilla de plástico con un trozo de piel, ambas sin carga al inicio, la varilla adquiere una carga negativa (pues toma electrones de la piel), y la piel adquiere una carga positiva de la misma magnitud (ya que ha perdido el mismo número de electrones que ganó la varilla). De ahí que no cambie la carga eléctrica total en los dos cuerpos tomados en conjunto. En cualquier proceso de carga, ésta no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro.

Se considera que el principio de conservación de la carga es una ley universal, pues no se ha observado ninguna evidencia experimental de que se contravenga. Aun en las interacciones de alta energía donde se crean y destruyen partículas, como en la creación de pares electrón-positrón, la carga total de cualquier sistema cerrado es constante con toda exactitud.

Otro principio importante es:

La magnitud de la carga del electrón o del protón es la unidad natural de carga.

Toda cantidad observable de carga eléctrica siempre es un múltiplo entero de esta unidad básica. Decimos que la carga está cuantizada. Esto quiere decir que existe un valor mínimo de la carga eléctrica que no puede dividirse. Este valor coincide con la carga de un electrón.

Si llamamos a la carga fundamental del electrón e, la cantidad de carga Q que adquiere un cuerpo electrizado será un múltiplo de esta cantidad:

$$Q=N\bullet e$$

Por ejemplo, si un cuerpo ha ganado 70 electrones, la carga total que ha ganado será de:

$$Q=70\bullet e$$

El coulomb es la unidad fundamental para la carga eléctrica y lo representamos como C. la carga de un electrón expresada en columbios es de $$e=1.6\times{10}^{-19}\ C$$ en algunas ocasiones se le pone por delante el signo $–$ (menos) para indicar que es negativa. De la misma manera la carga de un protón es de $$p=1.6\times{10}^{-19}\ C$$ igual que la del electrón, pero positiva.

Aislantes y conductores

Podemos clasificar los materiales en términos de su capacitancia para conducir energía eléctrica:

Los conductores son los materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con bastante libertad, en tanto que son aisladores los que no transportan la carga con facilidad

Materiales como el cobre el aluminio la plata son buenos conductores cuando estos materiales se cargan en alguna pequeña región, la carga se distribuye rápidamente sobre todo en la superficie del conductor. Encontraste materiales como el caucho o el vidrio están dentro de la categoría de aisladores. cuando estos materiales son cargados por frotamiento sólo el área que se frota se carga y esta no se mueve hacia otras regiones del material.