Propiedades de la carga: electrización y conservación
Valentina frota un globo contra su pelo, lo apoya en la pared del liceo y el globo se queda pegado. Nadie lo sostiene. ¿Qué cambió en el globo? ¿Y por qué después de un rato se despega? Al final de la página vas a poder explicarlo.
La carga: una propiedad de la materia
Toda la materia está hecha de átomos. Cada átomo tiene un núcleo con protones y neutrones, y alrededor, los electrones. Protones y electrones tienen una propiedad que los neutrones no tienen: la carga eléctrica. Esa propiedad es la responsable de las fuerzas de interacción eléctrica.
Hay dos tipos de carga, que por convención llamamos positiva (protón) y negativa (electrón). Un cuerpo normal tiene tantos protones como electrones: sus cargas se compensan y decimos que está neutro.
Los protones están "atrapados" en el núcleo. Los electrones de afuera, en cambio, pueden pasar de un cuerpo a otro. Por eso, cuando un cuerpo se electriza, lo que se mueve son electrones.
Un cuerpo neutro no tiene "cero cargas": tiene cargas positivas y negativas en igual cantidad. Electrizarlo es romper ese equilibrio.
Una barra de vidrio queda con carga positiva después de frotarla con seda. Indicá qué partícula se transfirió entre el vidrio y la seda, en qué sentido pasó y cuál es el…
Una barra de vidrio queda con carga positiva después de frotarla con seda. Indicá qué partícula se transfirió entre el vidrio y la seda, en qué sentido pasó y cuál es el signo de la carga que adquirió la seda.
Valentina acerca dos globos que fueron frotados con su pelo y observa que se separan entre sí. Decidí si los globos tienen cargas del mismo signo o de signos opuestos, y…
Valentina acerca dos globos que fueron frotados con su pelo y observa que se separan entre sí. Decidí si los globos tienen cargas del mismo signo o de signos opuestos, y enunciá la regla general de interacción entre cargas que usaste para responder.
Electrización por frote
Si frotás dos materiales distintos, los electrones de uno pasan al otro. El que gana electrones queda negativo; el que pierde electrones queda positivo. Mateo frota una regla de plástico con un paño de lana: la regla gana electrones y queda negativa, y la lana queda positiva con la misma cantidad de carga.
¿Y por qué una regla electrizada atrae pedacitos de papel, que son neutros? Porque en el papel las cargas se reacomodan un poco: las de signo opuesto a la regla quedan más cerca y la atracción gana a la repulsión. Lo vemos con detalle más adelante, en la inducción.
Mateo frota una regla de plástico con un paño de lana y comprueba que la regla atrae pedacitos de papel. Explicá con tus palabras qué significa que la regla esté…
Mateo frota una regla de plástico con un paño de lana y comprueba que la regla atrae pedacitos de papel. Explicá con tus palabras qué significa que la regla esté «electrizada» y nombrá el tipo de electrización que usó Mateo (frote, contacto o inducción).
Electrización por contacto
Si tocás un cuerpo neutro con otro ya cargado, parte de la carga pasa al primero. Ambos terminan con carga del mismo signo.
El soporte aislante evita que la carga se escape a tierra por el pie de la esfera.
Una esfera metálica A, neutra y montada sobre un soporte aislante, se toca con una barra cargada negativamente y luego se retira la barra. Describí qué ocurre con los…
Una esfera metálica A, neutra y montada sobre un soporte aislante, se toca con una barra cargada negativamente y luego se retira la barra. Describí qué ocurre con los electrones durante el contacto, indicá el signo de la carga final de la esfera y explicá por qué decimos que esta electrización es «por contacto».
Electrización por inducción
Hay una forma de electrizar sin tocar. Acercás a una esfera metálica neutra una barra positiva, sin contacto. Los electrones libres de la esfera son atraídos hacia la barra: la zona cercana queda negativa y la lejana queda positiva. La esfera sigue siendo neutra en conjunto: solo se redistribuyó su carga. Es una polarización.
Con esto se explica el globo de Valentina: el globo cargado polariza la pared (neutra) y la atrae. Después de un rato la carga se escapa al aire húmedo y el globo cae.
Cargar de verdad por inducción
Para que la esfera quede cargada hace falta un paso más:
| Método | ¿Se toca? | Signo del cuerpo respecto del cargador |
|---|---|---|
| Frote | sí, entre dos materiales | opuestos entre sí |
| Contacto | sí | igual |
| Inducción | no | opuesto |
Facundo dispone de una esfera metálica neutra sobre un soporte aislante y de una barra cargada positivamente. Sin que la barra toque la esfera, la acerca a ella. Explicá…
Facundo dispone de una esfera metálica neutra sobre un soporte aislante y de una barra cargada positivamente. Sin que la barra toque la esfera, la acerca a ella. Explicá cómo se redistribuyen las cargas en la esfera mientras la barra está cerca, y cuál de las zonas de la esfera (la cercana o la lejana a la barra) queda con carga negativa. Aclará si la esfera, en conjunto, sigue siendo neutra.
Bruno quiere cargar dos esferas metálicas neutras, A y B, que están en contacto sobre soportes aislantes, usando solo una barra cargada negativamente, sin tocarlas con…
Bruno quiere cargar dos esferas metálicas neutras, A y B, que están en contacto sobre soportes aislantes, usando solo una barra cargada negativamente, sin tocarlas con ella. Acerca la barra a A, separa A de B con la barra todavía cerca, y recién después aleja la barra.
- a) Describí paso a paso la distribución de cargas en cada etapa.
- b) Indicá el signo final de la carga de A y de B, y verificá que se cumple la conservación de la carga total.
- c) Explicá por qué este procedimiento (inducción) no se puede hacer correctamente si Bruno separa las esferas después de alejar la barra.
Conservación y cuantización de la carga
Dos ideas fundamentales:
La unidad de carga en el SI es el coulomb (C). Un coulomb equivale a unos $6{,}25\cdot10^{18}$ electrones, por eso en la vida cotidiana se usan submúltiplos como el microcoulomb: $1\ \mu\text{C} = 10^{-6}\ \text{C}$.
Una barra de plástico tiene una carga de $-4{,}8\cdot10^{-9}\ \text{C}$ después de ser frotada. Tomá la carga del electrón como $-1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{C}$. Calculá…
Una barra de plástico tiene una carga de $-4{,}8\cdot10^{-9}\ \text{C}$ después de ser frotada. Tomá la carga del electrón como $-1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{C}$. Calculá cuántos electrones en exceso tiene la barra y explicá por qué la carga de cualquier cuerpo es siempre un múltiplo entero de la carga elemental.
Dos esferas metálicas idénticas, montadas sobre soportes aislantes, tienen cargas $q_1 = +6\ \mu\text{C}$ y $q_2 = -2\ \mu\text{C}$. Camila las pone en contacto y luego…
Dos esferas metálicas idénticas, montadas sobre soportes aislantes, tienen cargas $q_1 = +6\ \mu\text{C}$ y $q_2 = -2\ \mu\text{C}$. Camila las pone en contacto y luego las separa.
- a) Aplicá el principio de conservación de la carga para hallar la carga final de cada esfera, justificando por qué se reparte en partes iguales.
- b) Calculá cuántos electrones se transfirieron de una esfera a otra, y en qué sentido, tomando $|e| = 1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{C}$.
Conductores, aislantes y el péndulo electrostático
En un conductor (metales) hay electrones libres que se mueven por todo el material: la carga se reparte por la superficie. En un aislante (plástico, vidrio, madera seca) los electrones quedan donde estaban: la carga se queda en la zona frotada. Por eso las esferas metálicas de los ejemplos van sobre soportes aislantes.
Para detectar carga se usa el péndulo electrostático: una bolita liviana colgada de un hilo aislante.
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Si la bolita es atraída por la barra, puede tener carga de signo opuesto o estar neutra (por polarización).
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Si es repelida, seguro tiene carga del mismo signo.
Solo la repulsión prueba que hay carga con signo definido.
Volvé al principio: el globo de Valentina, cargado por frote con el pelo, polariza la pared neutra: acerca cargas de signo opuesto y la atracción lo mantiene pegado. Con el tiempo la carga se escapa por el aire y el globo cae.