Fundamentos de la Electricidad: Cargas, Materiales y Ley de Coulomb

Introducción a la Electricidad y las Cargas

La palabra "electricidad" proviene del griego elektron. Existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. El origen de la carga eléctrica es el átomo.

Cargas Eléctricas Fundamentales

• El protón tiene carga eléctrica positiva.
• El neutrón no tiene carga eléctrica.
• Ambos, protón y neutrón, se ubican en el núcleo del átomo.
• El electrón tiene carga eléctrica negativa y se ubica en la órbita.

El átomo es neutro: por cada electrón hay un protón. Si los átomos de un objeto ceden electrones, tendrá un exceso de protones y el cuerpo quedará cargado positivamente. Si el átomo de un objeto captura electrones, tendrá un exceso de electrones, y el cuerpo quedará cargado negativamente.

Unidades y Valores de Carga

La carga eléctrica se designa con la letra 'q' y se mide en Coulombs (C).

• Para el electrón: su carga es de -1.6 x 10^-19 C y su masa es de 9.11 x 10^-31 kg.
• Para el protón: su carga es de +1.6 x 10^-19 C y su masa es de 1.67 x 10^-27 kg.
• El neutrón no tiene carga y su masa es de 1.67 x 10^-27 kg.

Propiedades de la Carga Eléctrica

• La carga se conserva: Cuando dos objetos inicialmente neutros se cargan al frotarse entre sí, no se crea carga en el proceso; solo se transfieren cargas negativas de un objeto a otro.
• La carga eléctrica está cuantizada: Cuando un objeto se carga eléctricamente, su carga es siempre un múltiplo de la unidad de carga fundamental, que se designa por e = 1.6 x 10^-19 C.
• Las cargas iguales se repelen, mientras que las cargas distintas se atraen.

Clasificación de Materiales según su Conductividad

Los materiales se clasifican en conductores, aislantes (o dieléctricos) y semiconductores.

• Un material es un conductor cuando sus átomos poseen electrones débilmente ligados a ellos, llamados electrones libres o de conducción. Estos electrones se desplazan con libertad dentro del material (ej: metales).
• Un aislante o dieléctrico es un material donde los electrones están fuertemente ligados al átomo, por lo tanto, la carga eléctrica se mueve con dificultad (ej: vidrio, madera).
• Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura (Tº).

Formas de Electrizar un Cuerpo

Por Frotamiento

Se produce cuando un cuerpo se frota con otro, aproximándose lo suficiente para que sus átomos interactúen. Durante esta aproximación, uno de los cuerpos cederá electrones y el otro los captará, quedando ambos cuerpos con cargas de signo opuesto.

Por Contacto

Se produce cuando un cuerpo inicialmente electrizado (negativa o positivamente) toca un cuerpo neutro. Se genera una transferencia de electrones. Por ejemplo, si un cuerpo con carga negativa se pone en contacto con uno neutro, este último capta electrones del primero, quedando electrizado negativamente.

Por Inducción Electrostática

Consideremos un conductor AB que está neutro sobre un soporte aislante. Si aproximamos al conductor un cuerpo electrizado positivamente, los electrones libres del conductor son atraídos por la carga positiva y se acumulan en el lado A. En el extremo B se ubican las cargas positivas. La aproximación de la carga produjo en el conductor una separación de cargas, aun cuando el cuerpo sigue estando neutro. Esta separación de cargas en el conductor, producida por el acercamiento de un cuerpo electrizado, se denomina inducción electrostática. *Nota: 'Electrizado' significa que hay un exceso de cargas.

Ley de Coulomb

Un Coulomb (C) equivale a 6.25 x 10¹⁸ electrones. El valor de la carga de un cuerpo ('q') se puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. Sin embargo, esta forma de expresar el valor de la carga no resulta práctica, ya que en un proceso de electrización el cuerpo pierde o gana un número muy elevado de electrones. En la práctica, se emplea una unidad más adecuada llamada Coulomb. Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C, significa que ha ganado o perdido 6.25 x 10¹⁸ electrones.

La fuerza con que se atraen o se repelen dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas (q1 x q2) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa.

La constante de proporcionalidad (K) tiene un valor de 9 x 10⁹ Nm²/C². La variable r es la distancia entre las cargas, medida en metros (m).

Ejemplos de la Relación de Fuerza

• Si la distancia se duplica, la fuerza disminuye 4 veces.
• Si la distancia se reduce 3 veces, la fuerza aumenta 9 veces.
• Una fuerza F < 0 indica atracción.
• Una fuerza F > 0 indica repulsión.