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16.1: Carga eléctrica

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    Es probable que haya experimentado o escuchado sobre la carga eléctrica en su vida. Por ejemplo, en un día seco de invierno, es posible que descubras que después de frotarte los pies descalzos sobre una alfombra de poliéster sientes una pequeña descarga eléctrica al tocar una superficie metálica como el pomo de una puerta. Esta es una manifestación de la carga eléctrica que se ha acumulado al ser liberado en el pomo de la puerta. Probablemente también tengas una noción de la existencia de cargas positivas y negativas, y que cargas iguales se repelen entre sí mientras que las cargas opuestas atraen. En este capítulo, desarrollamos la descripción de cómo pueden acumularse estas cargas y cómo ejercen fuerzas atractivas o repulsivas entre sí.

    La materia ordinaria está hecha de átomos, que a su vez están hechos de un pequeño núcleo positivo (que contiene protones positivos y neutrones neutros) rodeado por una “nube” de electrones cargados negativamente. Dentro de un objeto sólido, los átomos en el objeto pueden modelarse como efectivamente estacionarios debido a las fuerzas interatómicas que mantienen unidos a los átomos. Como resultado, los núcleos (la parte cargada positivamente de los átomos) pueden considerarse fijos en el espacio. Los electrones negativos, dependiendo del material, a menudo pueden moverse de un átomo a otro. Si un átomo pierde un electrón a otro átomo, éste se vuelve positivo, mientras que el átomo que adquirió el electrón extra se vuelve negativo.

    Definimos la carga neta sobre un átomo (o un objeto) en función de si hay más protones (positivos), más electrones (negativos) o una cantidad igual (neutra). Por defecto, los átomos son neutros y tienen igual número de protones y electrones. La razón por la que cualquier cosa adquiere una carga eléctrica neta es porque adquirió un exceso (o déficit) de electrones de otro objeto. Decimos que “la carga se conserva”, ya que el número de electrones no cambia y si un objeto se cargó positivamente, un objeto diferente debió haberse cargado negativamente en la misma cantidad, de manera que la carga neta total (en el Universo) sea cero.

    Cuando frotas tus pies sobre la alfombra, los electrones están siendo retirados de una superficie (tus pies) y depositados sobre la otra (la alfombra). Tus pies adquieren así una carga neta positiva (habiendo perdido electrones). Cuando tocas el pomo de una puerta, la pequeña chispa proviene de los electrones que saltan desde el pomo de la puerta hacia tu cuerpo. La razón por la que los electrones dejan tus pies en primer lugar es que diferentes materiales tienen diferentes “afinidades” por los electrones. Cuando frotas dos materiales juntos (colocando sus átomos muy cerca), los electrones se transferirán al material con la mayor afinidad por los electrones. Esta forma de crear una carga neta sobre un objeto se llama “carga por fricción”.

    La “serie triboeléctica” es una lista de materiales que tienden a renunciar o adquirir electrones cuando se colocan en estrecho contacto entre sí; algunos materiales comunes de la serie se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\). La mayor carga se genera frotando entre sí materiales que están más alejados entre sí en el diagrama. Frotar seda sobre un trozo de vidrio da como resultado más carga que frotar lana en la misma pieza de vidrio.

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Muestra de una serie triboeléctrica de materiales. Los materiales del lado derecho tienen la mayor afinidad para adquirir electrones.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Si frotas una varilla de vidrio con seda, ¿qué objeto termina con un exceso de electrones?

    1. varilla de vidrio.
    2. seda.
    3. tampoco, se mantienen neutrales.
    4. ambos adquirirán un exceso de electrones.
    Contestar

    Conductores y Aisladores

    Podemos clasificar ampliamente los materiales en conductores (como metales) y aisladores (como la madera), dependiendo de la facilidad con la que los electrones puedan moverse en el material. En un conductor, los electrones (más bien, el electrón (s) externo (s) de un átomo) solo están ligados libremente a sus núcleos, y así pueden moverse libremente alrededor del material. En un aislante, los electrones están fuertemente unidos a los núcleos de sus átomos y no pueden moverse fácilmente. Hay una tercera clase de materiales, los semiconductores, que cae en algún lugar entre un conductor y un aislante. En un semiconductor, los electrones suelen estar unidos a sus átomos, pero cualquier electrón adicional presente en el material puede moverse como si estuvieran en un conductor.

    Dentro de un conductor, como una esfera metálica sólida, las cargas pueden moverse libremente. Si esa esfera tiene una carga neta, por ejemplo un exceso de electrones, esos electrones sobrantes migrarán a la superficie exterior de la esfera. Los electrones en la esfera se repelen entre sí y se asentarán rápidamente en una posición en la que son, en promedio, los más alejados de todos los demás electrones, lo que ocurre si todos los electrones migran a la superficie. Esto se ilustra mostrando las cargas en la superficie de la esfera cargada en el panel izquierdo de la Figura\(\PageIndex{2}\). Si una esfera conductora inicialmente neutra está conectada a la esfera cargada por un cable conductor (panel derecho de la Figura\(\PageIndex{2}\)), algunos de los electrones “conducirán” (transferirán) sobre la superficie de la esfera neutra, de modo que, en promedio, estén más lejos de todos los demás electrones. Esta forma de agregar carga a la esfera neutra se denomina “carga por conducción”, y la segunda esfera permanecerá cargada si se rompe la conexión entre esferas.

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    Figura\(\PageIndex{2}\): Carga por conducción: una esfera conductora neutra está conectada a una esfera conductora cargada negativamente. Los cargos pueden “extenderse más” si algunos de los cargos se mueven (“conducen”) de la esfera de carga a la esfera neutral.

    Inducción electrostática

    La inducción electrostática permite “inducir” una carga utilizando el hecho de que las cargas pueden moverse libremente en un conductor. El panel izquierdo de la Figura\(\PageIndex{3}\) muestra una varilla (neutra) hecha de un material conductor, con electrones distribuidos uniformemente por todo su volumen. En el panel derecho, se lleva una esfera cargada negativamente al lado de la varilla. Dado que la varilla está conduciendo, los electrones en la varilla pueden moverse fácilmente y así se acumularán en el extremo de la varilla que está más alejado de la esfera negativa (que repele a los electrones). Esos electrones dejarán cargas positivas (correspondientes a los átomos que han perdido sus electrones) en el lado más cercano a la esfera. Los electrones en la varilla sólo se acumularán mientras la fuerza de la esfera negativa sea menor que la fuerza repulsiva de los electrones que ya se han acumulado. En la práctica, tal equilibrio se alcanza casi instantáneamente. En equilibrio, decimos que la varilla está “polarizada”, o que las “cargas en la varilla se han separado”, aunque la varilla en general sigue siendo neutra.

    Tenga en cuenta que podemos modelar esto como si fuera donde las cargas positivas que se mueven dentro de la varilla en lugar de cargas negativas. Las cargas positivas son atraídas hacia la esfera negativa, y así se acumulan en el extremo de la varilla más cercano a la esfera, dejando una carga negativa en el otro extremo. La elección de llamar “negativos” a los electrones es completamente arbitraria. Por conveniencia, generalmente construimos modelos asumiendo que las cargas positivas pueden moverse fácilmente, incluso si, en realidad, casi siempre son electrones realmente (negativos) los que se mueven.

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    Figura\(\PageIndex{3}\): Inducción electrostática: cuando una esfera cargada negativamente se acerca a una varilla conductora neutra, los electrones en la varilla, que pueden moverse libremente, se acumulan en el lado de la varilla más alejado de la esfera, dejando un exceso de carga positiva cerca de la esfera.

    Podemos crear una carga neta en la varilla polarizada si proporcionamos una trayectoria conductora para que las cargas salgan (o entren) de la varilla. La Tierra puede modelarse como un reservorio muy grande de cargas tanto positivas como negativas. Al conectar la varilla a la Tierra (decimos que conectamos la varilla a “tierra”), proporcionamos un camino para que los electrones en la varilla estén aún más lejos de la esfera cargada negativamente, y así puedan abandonar la varilla por completo para entrar en el suelo. Esto se ilustra en el panel derecho de la Figura\(\PageIndex{4}\).

    Si luego desconectamos la varilla del suelo, ahora ha adquirido una carga positiva general, como en el panel derecho. A esto lo llamamos “carga por inducción”. También podemos pensar en esto en términos de cargas positivas que se mueven hacia la varilla desde la Tierra; cuando conectamos la varilla al suelo, las cargas positivas en la Tierra pueden moverse hacia la varilla y acercarse a la esfera cargada negativamente. Si desconectamos la varilla del suelo, la varilla se mantiene positiva, así como concluimos al usar un modelo donde son las cargas negativas las que se mueven 1.

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    Figura\(\PageIndex{4}\): Carga por inducción: cuando conectamos la varilla polarizada a tierra, los electrones pueden salir de la varilla. Si ahora desconectamos la varilla del suelo, la varilla queda con una carga positiva general.

    Notas al pie

    1. A menos que se trate de magnetismo, no es posible distinguir entre un flujo de cargas positivas que se mueven en una dirección o cargas negativas que se mueven en la dirección opuesta.


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