Carga eléctrica, conductores y aislantes

Frota un globo contra tu cabello en un día seco de invierno y los mechones se erizan, estirándose hacia él como si los llamara. No hay magia aquí: has trasladado una fracción minúscula de los electrones de tu cabello hacia la superficie del globo, y ese desequilibrio diminuto basta para mover el cabello en contra de la gravedad. La electricidad y el magnetismo, el tema de todo este curso, se remontan a una sola propiedad de la materia: la carga eléctrica.

Qué es la carga

Cada protón lleva una carga positiva fija y cada electrón lleva una carga negativa de igual magnitud, llamada la carga elemental, e = 1.60 × 10⁻¹⁹ C, donde el culombio (C) es la unidad de carga del SI. La materia ordinaria es eléctricamente neutra porque los átomos llevan números iguales de protones y electrones; un objeto se carga solo cuando se agregan o se quitan electrones, dejando un excedente o un déficit neto. Como los electrones son las partículas que se mueven (los protones quedan encerrados dentro de los núcleos), todo proceso de carga —frotar, tocar o el flujo de corriente en un cable— es en realidad tráfico de electrones, nunca tráfico de protones.

Dos reglas gobiernan toda interacción de carga que analizarás en este curso. Primera, las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, con una fuerza que cuantificarás en la próxima lección. Segunda, la carga se conserva: la carga total de un sistema aislado nunca cambia. Frota el globo contra tu cabello y el cabello queda positivo exactamente en la misma cantidad en que el globo queda negativo — no se creó nada, solo se redistribuyó.

Cuantización de la carga

Como la carga siempre viene empaquetada en protones y electrones enteros, la carga neta de cualquier objeto es un múltiplo entero de e: Q = n e para algún número entero n. Esto se llama cuantización de la carga, y significa que una carga de 1.5 × 1.60 × 10⁻¹⁹ C es físicamente imposible — la carga, a diferencia de la posición o el tiempo, es fundamentalmente granular en vez de continua. En los experimentos cotidianos de carga, los números n involucrados son enormes (miles de millones de electrones), razón por la cual la carga se siente continua a escala macroscópica aunque no lo sea.

Conductores y aislantes

Los materiales difieren enormemente en la facilidad con que la carga se mueve a través de ellos. En un conductor —metales, agua salada, el cuerpo humano— los electrones externos están débilmente ligados a sus átomos y vagan libremente por el material, así que la carga colocada en cualquier punto de un conductor se dispersa rápidamente. En un aislante —vidrio, caucho, aire seco, plástico— los electrones permanecen ligados a sus átomos de origen, así que la carga colocada en un punto se queda mayormente allí. Esta es exactamente la razón por la que frotar funciona en un globo (un aislante) pero fallaría en una varilla metálica sostenida en tu mano (un conductor, conectado a través de ti al vasto reservorio neutro de la Tierra).

La carga también puede moverse sin contacto, por inducción: acerca una varilla cargada a un conductor neutro y sus electrones libres se alejan (o se acercan) de la varilla, polarizando el conductor en regiones positivas y negativas separadas aunque su carga total siga siendo cero. Conecta a tierra el lado lejano mientras la varilla sigue cerca y los electrones pueden escapar (o llegar) por completo, dejando al conductor con una carga neta genuina opuesta a la de la varilla — sin que los dos lleguen jamás a tocarse.

Ejemplo resuelto: contar electrones

Un peine de plástico cargado ha adquirido una carga neta de −3.2 nC después de pasarlo por cabello seco. ¿Cuántos electrones en exceso lleva?

n = Q / e = 3.2 × 10⁻⁹ C / 1.60 × 10⁻¹⁹ C
  = 2.0 × 10¹⁰ electrons

Veinte mil millones de electrones suena a un número enorme, y lo es —pero representa un desequilibrio de carga de apenas unos pocos miles de millonésimos de culombio, una cantidad demasiado pequeña para sentirse como un choque eléctrico, pero fácilmente suficiente para chisporrotear en aire seco o atraer trocitos de papel.

Por qué esto importa

Cada fenómeno de este curso —la fuerza entre cargas, los campos que crean, las corrientes que encienden un circuito, el magnetismo que produce la corriente— parte de los dos hechos de este capítulo: la carga se conserva y está cuantizada. Las fotocopiadoras y las impresoras láser depositan el tóner usando inducción y carga estática; el ensamblaje de electrónica segura contra descargas electrostáticas (ESD) existe porque una chispa perdida de tu cuerpo puede destruir un microchip; un rayo no es más que estas mismas reglas operando a escala planetaria, cuando la carga separada en una nube de tormenta finalmente supera la resistencia aislante del aire.

Plan de estudios alineado con University Physics Volume 2 de OpenStax; todo el texto de las lecciones es original de Syllabus.