La carga eléctrica en el átomo y la electrización
Wara frota un globo de goma con su cabello y lo acerca a la pared: el globo se queda pegado, sin cinta ni pegamento. ¿Qué pasó con el globo y con el cabello para que aparezca esa fuerza? Para responder tenemos que mirar dentro del átomo.
Fenómenos eléctricos: dos tipos de carga
Desde la antigüedad se sabe que ciertos cuerpos, al frotarlos, atraen objetos livianos como papelitos o pelusas. Decimos que quedaron electrizados, es decir, que adquirieron carga eléctrica.
Solo existen dos tipos de carga, que por convención llamamos positiva (+) y negativa (−). Lo que las distingue es cómo interactúan:
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Cargas del mismo signo se repelen: (+) y (+), o (−) y (−).
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Cargas de signo contrario se atraen: (+) y (−).
Un cuerpo con tantas cargas positivas como negativas está neutro: sus efectos se cancelan y no atrae ni repele.
La carga en el átomo
Toda la materia está hecha de átomos, y cada átomo tiene tres partículas subatómicas principales:
| Partícula | Carga | Dónde está |
|---|---|---|
| Protón | positiva (+) | núcleo |
| Neutrón | neutra (0) | núcleo |
| Electrón | negativa (−) | alrededor del núcleo (corteza) |
Protones y neutrones forman el núcleo; los electrones se mueven a su alrededor.
Dos datos importantes:
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El protón y el electrón tienen la misma cantidad de carga pero de signo contrario. Esa cantidad es la carga elemental: $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$ (culombios).
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Los protones están fijos en el núcleo. Lo que se mueve de un cuerpo a otro son los electrones, que son los que están en la parte externa del átomo.
Un átomo neutro tiene tantos protones como electrones, así que sus cargas se cancelan. El litio que se extrae del salar de Uyuni tiene 3 protones y 3 electrones: carga neta cero.
Si el átomo gana o pierde electrones, se convierte en un ion:
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Pierde electrones → queda con más protones que electrones → ion positivo (catión).
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Gana electrones → queda con más electrones que protones → ion negativo (anión).
Si el litio pierde 1 electrón: 3 protones (+3 e) y 2 electrones (−2 e), carga neta $+e$.
Nombra las tres partículas subatómicas principales del átomo e indica el signo de la carga eléctrica de cada una (positiva, negativa o neutra). Señala además cuáles de…
Nombra las tres partículas subatómicas principales del átomo e indica el signo de la carga eléctrica de cada una (positiva, negativa o neutra). Señala además cuáles de ellas se encuentran en el núcleo.
Un átomo de litio, el elemento que se extrae del salar de Uyuni, tiene 3 protones y 3 electrones. Explica por qué este átomo es eléctricamente neutro y qué le ocurriría…
Un átomo de litio, el elemento que se extrae del salar de Uyuni, tiene 3 protones y 3 electrones. Explica por qué este átomo es eléctricamente neutro y qué le ocurriría a su carga neta si perdiera un electrón.
Cuantización y conservación de la carga
Como la carga viene en «paquetes» de $e$, la carga de cualquier cuerpo es un múltiplo entero de $e$:
No existe un cuerpo con «medio electrón» de exceso. Por eso basta contar electrones para saber la carga.
Las cargas que vemos en la práctica son muy grandes comparadas con $e$, así que se usan submúltiplos del culombio: $1\ \mu\text{C} = 10^{-6}\ \text{C}$.
Un cuerpo tiene un exceso de $4{,}0 \times 10^{13}$ electrones. Sabiendo que la carga de un electrón tiene valor absoluto $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, calcula…
Un cuerpo tiene un exceso de $4{,}0 \times 10^{13}$ electrones. Sabiendo que la carga de un electrón tiene valor absoluto $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, calcula la carga neta del cuerpo e indica su signo.
Conductores y aislantes
No todos los materiales dejan que los electrones se muevan igual.
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Conductores (cobre, aluminio, plata, el cuerpo humano): tienen electrones que se mueven con libertad. La carga se reparte por todo el material.
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Aislantes (vidrio, goma, plástico, seda, madera seca): los electrones están ligados a sus átomos. La carga se queda donde se produjo.
Por eso un cable es de cobre (conduce) y está forrado de plástico (aísla). Y por eso, para cargar una esfera metálica sin perder la carga, la montamos sobre un soporte aislante.
Wara frota un globo de goma con su cabello y luego el globo queda pegado a la pared. Identifica qué tipo de electrización se produjo al frotar (frotamiento, contacto o…
Wara frota un globo de goma con su cabello y luego el globo queda pegado a la pared. Identifica qué tipo de electrización se produjo al frotar (frotamiento, contacto o inducción) y menciona qué partículas se transfirieron de un cuerpo al otro.
Electrización por frotamiento y por contacto
Electrizar un cuerpo es hacer que quede con carga neta. Hay tres formas.
Frotamiento
Al frotar dos materiales distintos, algunos electrones pasan de uno al otro. El que los pierde queda positivo; el que los gana, negativo. Las cargas finales son iguales en valor y de signo opuesto.
Así lo hace Mateo en el laboratorio: frota una barra de vidrio con seda. El vidrio cede electrones a la seda: el vidrio queda $+$ y la seda queda $-$. Con el globo y el cabello de Wara pasa lo mismo: el cabello cede electrones al globo, que queda negativo, y el cabello queda positivo.
Contacto
Si un cuerpo cargado toca a un conductor, los electrones se reparten entre ambos. Al separarlos, los dos quedan con carga del mismo signo.
Una esfera metálica A (negativa) toca a una esfera B idéntica y neutra: los electrones sobrantes de A pasan en parte hacia B, porque se repelen entre sí y B les ofrece espacio. Al final, ambas quedan negativas. Si son idénticas, cada una se queda con la mitad de la carga.
En el laboratorio de la unidad educativa, Mateo frota una barra de vidrio con un paño de seda y la barra queda con carga positiva. Explica qué partículas pasaron del…
En el laboratorio de la unidad educativa, Mateo frota una barra de vidrio con un paño de seda y la barra queda con carga positiva. Explica qué partículas pasaron del vidrio a la seda, qué carga adquirió el paño y por qué la cantidad total de carga se conserva en el proceso.
Una esfera metálica A, con carga negativa, toca a otra esfera metálica B idéntica y neutra, y luego se separan. Describe el sentido en que se mueven los electrones…
Una esfera metálica A, con carga negativa, toca a otra esfera metálica B idéntica y neutra, y luego se separan. Describe el sentido en que se mueven los electrones durante el contacto, indica el signo de la carga final de cada esfera y explica qué tipo de electrización ocurrió.
Electrización por inducción
En la inducción se carga un conductor sin tocarlo con el cuerpo cargado. Se hace en tres pasos.
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Acercar la barra cargada (sin tocar). Las cargas de la esfera se separan: los electrones se alejan de la barra negativa y la zona cercana queda positiva.
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Conectar a tierra (tocar con el dedo un instante). Los electrones, repelidos por la barra, escapan hacia tu cuerpo y la tierra. La esfera queda con falta de electrones.
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Retirar primero el dedo y después la barra. La esfera ya no puede recuperar los electrones y queda con carga neta positiva, distribuida por toda ella.
Con una barra negativa, la esfera queda positiva: el signo es opuesto al de la barra. Es la diferencia clave con el contacto, donde el signo sería el mismo.
Ximena acerca, sin tocarla, una barra con carga negativa a una esfera metálica neutra montada sobre un soporte aislante. Mientras la barra está cerca, ella toca la…
Ximena acerca, sin tocarla, una barra con carga negativa a una esfera metálica neutra montada sobre un soporte aislante. Mientras la barra está cerca, ella toca la esfera con un dedo durante un instante, retira el dedo y recién después aleja la barra. Describe paso a paso la redistribución de cargas, indica el signo de la carga final de la esfera y justifica por qué este proceso es inducción y no contacto.
Balance de cargas y conservación
Para problemas con varios cuerpos, el método es siempre el mismo:
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Suma las cargas iniciales (con signo): carga total.
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Si los cuerpos son idénticos y se tocan, la carga total se reparte por igual.
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La carga que cambió en un cuerpo es la que pasó; los electrones transferidos son $n = |\Delta q|/e$.
Dos esferas metálicas idénticas tienen cargas $q_1 = +6{,}0\ \mu\text{C}$ y $q_2 = -2{,}0\ \mu\text{C}$. Se ponen en contacto y luego se separan. Determina la carga…
Dos esferas metálicas idénticas tienen cargas $q_1 = +6{,}0\ \mu\text{C}$ y $q_2 = -2{,}0\ \mu\text{C}$. Se ponen en contacto y luego se separan. Determina la carga final de cada una, calcula cuántos electrones se transfirieron entre ellas (considera $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$ y $1\ \mu\text{C} = 10^{-6}\ \text{C}$) y argumenta qué principio se cumple al comparar la carga total antes y después.
Vuelve al principio: Wara frotó el globo con su cabello; el cabello cedió electrones al globo, que quedó con carga negativa. Ese globo induce cargas de signo opuesto en la superficie de la pared (aislante), y la atracción entre ellas lo mantiene pegado.