9.2: Electricidad estática y carga- Conservación de carga

Objetivos de aprendizaje

• Defina la carga eléctrica y describa cómo interactúan los dos tipos de carga.
• Describir tres situaciones comunes que generan electricidad estática.
• Afirma la ley de conservación de carga.

Figura\(\PageIndex{1}\): El ámbar de Borneo se extrajo en Sabah, Malasia, de vetas de esquisto, arenisca y piedra de lodo. Cuando un trozo de ámbar se frota con un trozo de seda, el ámbar gana más electrones, dándole una carga neta negativa. Al mismo tiempo, la seda, habiendo perdido electrones, se carga positivamente. (crédito: Sebakoamber, Wikimedia Commons)

¿Qué hace que la envoltura plástica se aferre Electricidad estática. No sólo son comunes las aplicaciones de la electricidad estática en estos días, su existencia se conoce desde la antigüedad. El primer registro de sus efectos data de antiguos griegos que notaron más de 500 años antes de Cristo que pulir ámbar temporalmente le permitió atraer trozos de paja (ver Figura\(\PageIndex{1}\)). La misma palabra eléctrica deriva de la palabra griega para ámbar (electrón).

Muchas de las características de la electricidad estática se pueden explorar frotando cosas juntas. El frotamiento crea la chispa que obtienes al caminar por una alfombra de lana, por ejemplo. La adherencia estática generada en una secadora de ropa y la atracción de la paja hacia el ámbar recientemente pulido también resultan del roce. De igual manera, los rayos son el resultado de los movimientos del aire bajo ciertas condiciones climáticas También puedes frotar un globo en tu cabello, y la electricidad estática creada puede hacer que el globo se adhiera a una pared. También tenemos que ser cautelosos con la electricidad estática, especialmente en climas secos. Cuando bombeamos gasolina, se nos advierte que nos descarguemos (después de deslizarnos por el asiento) sobre una superficie metálica antes de agarrar la boquilla de gas. Los asistentes en los quirófanos de los hospitales deben usar botines con papel de aluminio en la parte inferior para evitar crear chispas que puedan encender el oxígeno que se usa.

Algunas de las características más básicas de la electricidad estática incluyen:

• Los efectos de la electricidad estática se explican por una cantidad física no introducida previamente, llamada carga eléctrica.
• Sólo hay dos tipos de carga, una llamada positiva y la otra llamada negativa.
• Al igual que los cargos repelen, mientras que a diferencia los cargos atraen
• La fuerza entre cargas disminuye con la distancia.

¿Cómo sabemos que hay dos tipos de carga eléctrica? Cuando varios materiales se frotan juntos de manera controlada, ciertas combinaciones de materiales siempre producen un tipo de carga en un material y el tipo opuesto en el otro. Por convención, llamamos “positivo” a un tipo de carga y al otro tipo “negativo”. Por ejemplo, cuando el vidrio se frota con seda, el vidrio se carga positivamente y la seda se carga negativamente. Dado que el vidrio y la seda tienen cargas opuestas, se atraen entre sí como ropa que se han frotado en una secadora. Dos varillas de vidrio frotadas con seda de esta manera se repelerán entre sí, ya que cada varilla tiene carga positiva sobre ella. De igual manera, dos paños de seda así frotados se repelerán, ya que ambos paños tienen carga negativa. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra cómo estos materiales simples pueden ser utilizados para explorar la naturaleza de la fuerza entre cargas.

Figura\(\PageIndex{2}\): Una varilla de vidrio se carga positivamente cuando se frota con seda, mientras que la seda se carga negativamente. (a) La varilla de vidrio se siente atraída por la seda porque sus cargas son opuestas. b) Dos varillas de vidrio con carga similar se repelen. c) Dos paños de seda de carga similar se repelen.

Surgen preguntas más sofisticadas. ¿De dónde provienen estos cargos? ¿Se puede crear o destruir carga? ¿Hay una unidad de carga más pequeña? Exactamente, ¿cómo depende la fuerza de la cantidad de carga y la distancia entre cargas? Este tipo de preguntas obviamente se le ocurrieron a Benjamin Franklin y a otros investigadores tempranos, y nos interesan incluso hoy en día.

Carga transportada por electrones y protones

Franklin escribió en sus cartas y libros que podía ver los efectos de la carga eléctrica pero no entendía qué causó el fenómeno. Hoy tenemos la ventaja de saber que la materia normal está hecha de átomos, y que los átomos contienen cargas positivas y negativas, generalmente en cantidades iguales.

La figura\(\PageIndex{3}\) muestra un modelo simple de un átomo con electrones negativos orbitando su núcleo positivo. El núcleo es positivo debido a la presencia de protones cargados positivamente. Casi toda la carga en la naturaleza se debe a electrones y protones, que son dos de los tres bloques de construcción de la mayoría de la materia. (El tercero es el neutrón, que es neutro, sin carga.) Otras partículas portadoras de carga se observan en los rayos cósmicos y la desintegración nuclear, y se crean en aceleradores de partículas. Todos menos el electrón y el protón sobreviven poco tiempo y son bastante raros en comparación.

Figura\(\PageIndex{3}\): Esta vista simplificada (y no a escala) de un átomo se denomina el modelo planetario del átomo. Los electrones negativos orbitan un núcleo positivo mucho más pesado, ya que los planetas orbitan el sol mucho más pesado. Ahí termina la similitud, porque las fuerzas en el átomo son electromagnéticas, mientras que las del sistema planetario son gravitacionales. Las cantidades macroscópicas normales de materia contienen inmensos números de átomos y moléculas y, por lo tanto, un número aún mayor de cargas individuales negativas y positivas.

Las cargas de electrones y protones son idénticas en magnitud pero opuestas en signo. Además, todos los objetos cargados en la naturaleza son múltiplos integrales de esta cantidad básica de carga, lo que significa que todas las cargas están hechas de combinaciones de una unidad básica de carga. Por lo general, las cargas están formadas por combinaciones de electrones y protones. La magnitud de esta carga básica es

\[\left|q_{e}\right|=1.60 \times 10^{-19} \mathrm{C}. \nonumber \]

El símbolo\(q\) se usa comúnmente para la carga y el subíndice\(e\) indica la carga de un solo electrón (o protón).

La unidad de carga SI es el culombo (C). El número de protones necesarios para hacer una carga de 1.00 C es

\[1.00 \mathrm{C} \times \frac{1 \text { proton }}{1.60 \times 10^{-19} \mathrm{C}}=6.25 \times 10^{18} \text { protons. } \nonumber \]

De manera similar, 6.25×10 ¹⁸ electrones tienen una carga combinada de −1.00 culombios. Así como hay un poco más pequeño de un elemento (un átomo), hay un poco de carga más pequeño. No hay carga observada directamente menor que\(\left|q_{e}\right|\), y todas las cargas observadas son múltiplos integrales de\(\left|q_{e}\right|\).

COSAS GRANDES Y PEQUEÑAS: EL ORIGEN SUBMICROS

A excepción de las partículas exóticas de corta duración, toda carga en la naturaleza es transportada por electrones y protones. Los electrones llevan la carga que hemos llamado negativa. Los protones llevan una carga de igual magnitud que llamamos positiva. (Ver Figura\(\PageIndex{4}\).) Las cargas de electrones y protones se consideran bloques de construcción fundamentales, ya que todas las demás cargas son múltiplos integrales de las transportadas por electrones y protones. Los electrones y protones son también dos de los tres bloques de construcción fundamentales de la materia ordinaria. El neutrón es el tercero y tiene carga total cero.

La figura\(\PageIndex{4}\) muestra a una persona tocando un generador de Van de Graaff y recibiendo exceso de carga positiva. La visión ampliada de un cabello muestra la existencia de ambos tipos de cargas pero un exceso de positivo. La repulsión de estas cargas positivas como causa que los mechones de cabello repelan otros mechones de cabello y se pongan de pie. La explosión posterior muestra la concepción de un artista de un electrón y un protón tal vez encontrados en un átomo en un mechón de cabello.

Figura\(\PageIndex{4}\): Cuando esta persona toca un generador de Van de Graaff, recibe un exceso de carga positiva, provocando que su cabello se ponga de punta. Se muestran las cargas en un cabello. La concepción artística de un electrón y un protón ilustran las partículas que llevan las cargas negativas y positivas. Realmente no podemos ver estas partículas con luz visible porque son muy pequeñas (el electrón parece ser un punto infinitesimal), pero sabemos mucho sobre sus propiedades medibles, como las cargas que llevan.

El electrón parece no tener subestructura; en contraste, cuando se explora la subestructura de los protones dispersando electrones extremadamente energéticos de ellos, parece que hay partículas puntiformes dentro del protón. Estas subpartículas, denominadas quarks, nunca han sido observadas directamente, pero se cree que portan cargas fraccionarias como se ve en la Figura\(\PageIndex{5}\). Las cargas sobre electrones y protones y todas las demás partículas directamente observables son unitarias, pero estas subestructuras de quark llevan cargas de cualquiera\(-\frac{1}{3}\) o\(+\frac{2}{3}\). Continúan los intentos de observar directamente la carga fraccionaria y de conocer las propiedades de los quarks, que quizás sean la subestructura última de la materia.

Figura\(\PageIndex{5}\): Concepción artística de cargas fraccionarias de quark dentro de un protón. Un grupo de tres cargas de quark se suman a la única carga positiva sobre el protón:\(-\frac{1}{3} q_{e}+\frac{2}{3} q_{e}+\frac{2}{3} q_{e}=+1 q_{e}\).

Separación de Carga en Átomos

Las cargas en átomos y moléculas se pueden separar, por ejemplo, frotando materiales juntos. Algunos átomos y moléculas tienen una mayor afinidad por los electrones que otros y se cargarán negativamente por contacto cercano en el frotamiento, dejando al otro material cargado positivamente. (Ver Figura\(\PageIndex{6}\).) La carga positiva puede inducirse de manera similar por frotamiento. Los métodos distintos al frotamiento también pueden separar las cargas. Las baterías, por ejemplo, utilizan combinaciones de sustancias que interactúan de tal manera que separan las cargas. Las interacciones químicas pueden transferir carga negativa de una sustancia a otra, haciendo que un terminal de batería sea negativo y dejando el primero positivo.

Figura\(\PageIndex{6}\): Cuando los materiales se frotan entre sí, las cargas pueden separarse, particularmente si un material tiene una mayor afinidad por los electrones que otro. a) Tanto el ámbar como la tela son originalmente neutros, con iguales cargas positivas y negativas. Sólo una pequeña fracción de los cargos están involucrados, y sólo algunos de ellos se muestran aquí. (b) Cuando se frotan juntos, se transfiere alguna carga negativa al ámbar, dejando la tela con una carga neta positiva. (c) Al separarse, el ámbar y la tela ahora tienen cargos netos, pero el valor absoluto de los cargos netos positivos y negativos será igual.

En realidad no se crea ni se destruye ningún cargo cuando se separan los cargos como hemos estado discutiendo. Más bien, se mueven los cargos existentes. De hecho, en todas las situaciones la cantidad total de carga es siempre constante. Esta ley de la naturaleza universalmente obedecida se llama la ley de conservación de la carga.

LEY DE CONSERVACIÓN DE CARGA

La carga total es constante en cualquier proceso.

En situaciones más exóticas, como en los aceleradores de partículas, la masa,\(\Delta m\), se puede crear a partir de la energía en la cantidad\(\Delta m=\frac{E}{c^{2}}\). En ocasiones, la masa creada se carga, como cuando se crea un electrón. Siempre que se crea una partícula cargada, siempre se crea otra que tiene una carga opuesta junto con ella, de manera que la carga total creada es cero. Por lo general, las dos partículas son contrapartes de “materia-antimateria”. Por ejemplo, normalmente se crearía un antielectrón al mismo tiempo que un electrón. El antielectrón tiene una carga positiva (se llama positrón), por lo que la carga total creada es cero. (Ver Figura\(\PageIndex{7}\).) Todas las partículas tienen contrapartes de antimateria con signos opuestos. Cuando se juntan las contrapartes materia y antimateria, se aniquilan por completo entre sí. Por aniquilar, queremos decir que la masa de las dos partículas se convierte en energía E, de nuevo obedeciendo la relación\(\Delta m=\frac{E}{c^{2}}\). Dado que las dos partículas tienen carga igual y opuesta, la carga total es cero antes y después de la aniquilación; así, se conserva la carga total.

Hacer conexiones: leyes de conservación

Solo se conserva universalmente un número limitado de cantidades físicas. La carga es una: la energía, el impulso y el momento angular son otros. Debido a que se conservan, estas cantidades físicas se utilizan para explicar más fenómenos y formar más conexiones que otras cantidades menos básicas. Encontramos que las cantidades conservadas nos dan una gran idea de las reglas seguidas por la naturaleza y pistas para la organización de la naturaleza. Los descubrimientos de las leyes de conservación han llevado a nuevos descubrimientos, como la débil fuerza nuclear y la subestructura del quark de protones y otras partículas.

Figura\(\PageIndex{7}\): a) Cuando hay suficiente energía, ésta se puede convertir en materia. Aquí la materia creada es un par electrón-antielectrón. (\(m_{e}\)es la masa del electrón.) El cargo total antes y después de este evento es cero. b) Cuando la materia y la antimateria chocan, se aniquilan entre sí; la carga total se conserva en cero antes y después de la aniquilación.

La ley de conservación de la carga es absoluta, nunca se ha observado que sea violada. El cargo, entonces, es una cantidad física especial, uniéndose a una lista muy corta de otras cantidades en la naturaleza que siempre se conservan. Otras cantidades conservadas incluyen energía, impulso y momento angular.

Resumen de la Sección

• Sólo hay dos tipos de carga, que llamamos positiva y negativa.
• Al igual que las cargas se repelen, a diferencia de las cargas atraen, y la fuerza entre cargas disminuye con el cuadrado de la distancia.
• La gran mayoría de la carga positiva en la naturaleza es transportada por protones, mientras que la gran mayoría de la carga negativa es transportada por electrones.
• La carga eléctrica de un electrón es igual en magnitud y opuesta en signo a la carga de un protón.
• Un ion es un átomo o molécula que tiene carga total distinta de cero debido a tener números desiguales de electrones y protones.
• La unidad SI para carga es el culombo (C), con protones y electrones que tienen cargas de signo opuesto pero igual magnitud; la magnitud de esta carga básica\(\left|q_{e}\right|\) es

  \[\left|q_{e}\right|=1.60 \times 10^{-19} \mathrm{C}. \nonumber\]

• Siempre que se crea o destruye la carga, se involucran cantidades iguales de positivo y negativo.
• La mayoría de las veces, las cargas existentes se separan de los objetos neutrales para obtener alguna carga neta.
• Tanto las cargas positivas como las negativas existen en los objetos neutros y se pueden separar frotando un objeto con otro. Para los objetos macroscópicos, cargado negativamente significa un exceso de electrones y cargado positivamente significa un agotamiento de electrones.
• La ley de conservación de la carga asegura que cada vez que se crea una carga, al mismo tiempo se crea una carga igual del signo contrario.

Glosario

carga eléctrica

una propiedad física de un objeto que hace que sea atraído o repelido de otro objeto cargado; cada objeto cargado genera y es influenciado por una fuerza llamada fuerza electromagnética

ley de conservación de carga

establece que cada vez que se crea un cargo, se crea simultáneamente una cantidad igual de carga con el signo opuesto

electrón

una partícula que orbita el núcleo de un átomo y que lleva la unidad más pequeña de carga negativa

protón

una partícula en el núcleo de un átomo y que lleva una carga positiva igual en magnitud y de signo opuesto a la cantidad de carga negativa transportada por un electrón