Estructura del átomo y cargas eléctricas
Valentina frota un bolígrafo de plástico contra su franela y lo acerca a unos pedacitos de papel: los papeles saltan hacia el bolígrafo. Antes de frotarlo no hacía nada. ¿Qué cambió dentro del bolígrafo? Para responder, hay que mirar dentro del átomo.
Las partículas del átomo
Toda la materia está hecha de átomos. Cada átomo tiene tres partículas subatómicas principales:
| Partícula | Carga | Masa aproximada | Dónde está |
|---|---|---|---|
| Protón | positiva, $+e$ | $1{,}67\times10^{-27}\ \text{kg}$ | núcleo |
| Neutrón | nula | $1{,}67\times10^{-27}\ \text{kg}$ | núcleo |
| Electrón | negativa, $-e$ | $9{,}1\times10^{-31}\ \text{kg}$ | corteza |
El núcleo es diminuto y concentra casi toda la masa. La corteza es la zona que rodea al núcleo, donde se mueven los electrones. Un electrón es unas 1.800 veces más liviano que un protón.
Las cargas de signo contrario se atraen y las del mismo signo se repelen. Esa atracción mantiene a los electrones ligados al núcleo.
Nombra las tres partículas subatómicas principales que forman un átomo. Para cada una indica el signo de su carga eléctrica (positiva, negativa o nula) y si se encuentra…
Nombra las tres partículas subatómicas principales que forman un átomo. Para cada una indica el signo de su carga eléctrica (positiva, negativa o nula) y si se encuentra en el núcleo o en la corteza del átomo.
Número atómico, número másico y neutralidad
Dos números identifican a un átomo:
Un átomo neutro tiene tantos electrones como protones, así que las cargas se compensan:
$$q_{neta} = (\text{protones} - \text{electrones})\cdot e = 0$$Un átomo tiene 8 protones, 8 neutrones y 8 electrones. Indica si este átomo es eléctricamente neutro, positivo o negativo, y justifica tu respuesta comparando el número…
Un átomo tiene 8 protones, 8 neutrones y 8 electrones. Indica si este átomo es eléctricamente neutro, positivo o negativo, y justifica tu respuesta comparando el número de protones con el de electrones.
Iones: cuando el átomo no es neutro
Los protones están bien sujetos en el núcleo, pero los electrones de la corteza externa pueden salir o entrar. Si cambia el número de electrones, el átomo queda con carga neta y se llama ion.
-
Si pierde electrones, queda con más protones que electrones: carga positiva. Es un catión.
-
Si gana electrones, queda con carga negativa. Es un anión.
Un átomo de magnesio tiene número atómico $Z = 12$ y número másico $A = 24$. a) Determina cuántos protones, neutrones y electrones tiene cuando es neutro. b) Si pierde…
Un átomo de magnesio tiene número atómico $Z = 12$ y número másico $A = 24$.
- a) Determina cuántos protones, neutrones y electrones tiene cuando es neutro.
- b) Si pierde dos electrones, indica cuál es su carga neta en unidades de carga elemental $e$ y qué nombre recibe una partícula con esa característica.
Carga elemental: cuantización y conservación
La carga se mide en culombios (C). La menor carga libre que se observa es la del electrón o el protón:
$$e = 1{,}6\times10^{-19}\ \text{C}$$Por eso, para saber cuántos electrones sobran o faltan, se divide: $n = q/e$.
Una carga de $-2{,}4\times10^{-19}\ \text{C}$ daría $n = 1{,}5$ electrones: imposible, porque no existen medios electrones libres.
Un cuerpo metálico adquiere una carga neta de $-4{,}8 \times 10^{-18}\ \text{C}$. Considera que la carga elemental es $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$. a) Calcula…
Un cuerpo metálico adquiere una carga neta de $-4{,}8 \times 10^{-18}\ \text{C}$. Considera que la carga elemental es $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
- a) Calcula cuántos electrones en exceso tiene el cuerpo.
- b) Explica por qué un cuerpo no podría tener una carga de $-2{,}4 \times 10^{-19}\ \text{C}$, usando la idea de cuantización de la carga.
Conductores y aislantes
En los metales (cobre, aluminio), algunos electrones se mueven libremente por todo el material: son conductores. La carga se reparte y circula con facilidad. En el plástico, el vidrio, la madera seca o el caucho, los electrones están ligados a sus átomos: son aislantes y la carga se queda donde se depositó.
Por eso las esferas metálicas de los experimentos se montan sobre soportes aislantes: así la carga no se escapa por el soporte. Y los cables de la casa son de cobre cubierto de plástico.
Formas de electrizar un cuerpo
Electrizar un cuerpo es hacer que quede con carga neta. Hay tres formas.
Frotamiento. Al frotar dos materiales, pasan electrones de uno al otro. El que pierde electrones queda positivo y el que los gana, negativo. Es lo que hizo Valentina con su bolígrafo: este tomó electrones de la lana (o de la franela) y quedó negativo, por eso atrae el papel neutro.
Contacto. Un cuerpo cargado toca a otro y comparten carga. El segundo queda con carga del mismo signo.
Inducción. Se acerca un cuerpo cargado a un conductor, sin tocarlo. Las cargas del conductor se separan. Si además se conecta a tierra un instante, el conductor queda con carga de signo contrario al del cuerpo inductor.
Fíjate: el lado cercano a la barra negativa queda positivo, porque los electrones libres son repelidos hacia el lado lejano.
Valentina frota un bolígrafo de plástico con un paño de lana y luego lo acerca a pequeños trozos de papel, que son atraídos por el bolígrafo. Indica a qué tipo de…
Valentina frota un bolígrafo de plástico con un paño de lana y luego lo acerca a pequeños trozos de papel, que son atraídos por el bolígrafo. Indica a qué tipo de electrización corresponde el procedimiento que usó Valentina para cargar el bolígrafo (frotamiento, contacto o inducción) y explica brevemente en qué consiste.
Diego frota una barra de vidrio con un paño de seda. Después de frotar, la barra queda con carga positiva. a) Explica qué partículas se transfirieron entre la barra y el…
Diego frota una barra de vidrio con un paño de seda. Después de frotar, la barra queda con carga positiva.
- a) Explica qué partículas se transfirieron entre la barra y el paño, y en qué sentido.
- b) Indica el signo de la carga del paño de seda y justifica tu respuesta usando el principio de conservación de la carga.
Andrea tiene dos esferas metálicas idénticas, A y B, montadas sobre soportes aislantes. La esfera A está inicialmente neutra y la esfera B tiene carga negativa. Ella…
Andrea tiene dos esferas metálicas idénticas, A y B, montadas sobre soportes aislantes. La esfera A está inicialmente neutra y la esfera B tiene carga negativa. Ella quiere cargar la esfera A con carga positiva sin que B la toque en ningún momento, usando electrización por inducción y una conexión momentánea a tierra.
- a) Describe, paso a paso, el procedimiento que debe seguir, indicando hacia dónde se mueven los electrones en cada etapa.
- b) Explica por qué la esfera B no pierde carga durante el proceso y por qué este método da a A una carga de signo contrario al de B, mientras que la electrización por contacto le daría el mismo signo.
Una esfera metálica A tiene carga $+6e$ y otra esfera idéntica B tiene carga $-2e$, con $e$ la carga elemental. Ambas están aisladas. Se ponen en contacto, se mantienen…
Una esfera metálica A tiene carga $+6e$ y otra esfera idéntica B tiene carga $-2e$, con $e$ la carga elemental. Ambas están aisladas. Se ponen en contacto, se mantienen así un instante y luego se separan.
- a) Determina la carga final de cada esfera y cuántos electrones se transfirieron, indicando en qué sentido.
- b) Verifica que se cumple la conservación de la carga y analiza si el resultado sería posible si las esferas tuvieran cargas $+5e$ y $-2e$ (da la carga final de cada una y discute si respeta la cuantización de la carga cuando se reparte en partes iguales).
Vuelve al principio: al frotar, el bolígrafo de Valentina ganó electrones de la lana y quedó con carga neta negativa. Esa carga polariza los pedacitos de papel neutros y los atrae.