Propiedades de la carga eléctrica y la estructura atómica
En esta clase revisaremos el concepto y origen de la carga eléctrica como causante fundamental de los fenómenos eléctricos. Partiremos con un análisis histórico donde los griegos observaron propiedades eléctricas al frotar ámbar con lana, conduciendo a la ley de los signos para modelar la atracción y repulsión eléctrica. A nivel microscópico, se exploran las partículas subatómicas y cómo la carga eléctrica es inherente a la estructura de la materia, con especial énfasis en la composición de los átomos y cómo determinan las propiedades eléctricas de la materia. Por último, se enfatiza que, aunque un átomo pueda ser neutro, sigue siendo partícipe en fenómenos eléctricos debido a las interacciones atómicas y moleculares y la transferencia de electrones.
Objetivos de Aprendizaje:
Al concluir esta clase el estudiante será capaz de:
- Listar las partículas subatómicas y sus respectivas cargas y masas.
- Explicar por qué al frotar ciertos materiales estos adquieren carga eléctrica.
- Describir la relación entre el comportamiento observado por los griegos (ámbar cargado) y la noción moderna de electricidad.
- Diferenciar entre átomos neutros, cationes y aniones.
- Si dos materiales A y B inicialmente neutros (libre de carga) son frotados entre si, entonces pueden adquirir una carga eléctrica. Tales cargas adquiridas por A y B son de igual magnitud.
- Si luego de haberse cargado según lo descrito anteriormente, los cuerpos A y B son puestos en contacto, entonces las cargas se anulan entre si.
- Positivo x Positivo = Positivo → REPULSIÓN
- Positivo x Negativo = Negativo → ATRACCIÓN
- Negativo x Positivo = Negativo → ATRACCIÓN
- Negativo x Negativo = Positivo → REPULSIÓN
INDICE DE CONTENIDOS
¿Qué es la carga eléctrica?
Fenómenos eléctricos en la antigüedad
Ley de los signos
Carga eléctrica y estructura de la materia
Propiedades eléctricas de la materia
¿Qué es la carga eléctrica?
Para entender los fenómenos eléctricos, es esencial abordar su causa subyacente. De la misma forma que la masa es responsable de la gravedad, la carga eléctrica es la causante de los fenómenos eléctricos.
Al comenzar nuestro estudio del electromagnetismo, es difícil definir exactamente qué es la carga eléctrica. Este entendimiento requiere análisis más avanzados que los que abordaremos inicialmente. No obstante, podemos estudiar su comportamiento y propiedades para empezar a familiarizarnos con la electricidad.
Fenómenos eléctricos en la antigüedad
En tiempos antiguos, los griegos notaron que al frotar ámbar con lana, este podía atraer ciertos objetos. A este efecto, lo denominamos como que el ámbar «se ha cargado» o que «ha adquirido carga eléctrica». De hecho, la palabra «electricidad» proviene del griego «ήλεκτρον (élektron)», que significa «ámbar». En fin, desde tiempos antiguos se observó que los cuerpos «cargados eléctricamente» adquirían las siguientes propiedades y comportamientos:
Por lo descrito anteriormente, se dice que los cuerpos adquieren cargas iguales pero complementarias, por esto designamos tales cargas como «positiviva» y «negativa». Además de esto, el comportamiento de los cuerpos cargados se puede modelar a partir la ley de los signos:
Ley de los signos
Los cuerpos cargados manifiestan el siguiente comportamiento:
Las cargas de signos opuestos se atraen, y las cargas de igual signo se repelen.
Carga eléctrica y estructura de la materia
La carga eléctrica, al igual que la masa, es una propiedad fundamental de las partículas que constituyen la materia. La unidad de medida de la carga eléctrica es el Coulomb y se denota mediante la letra C. Los átomos están compuestos de entidades subatómicas que poseen las carga y masa específicas que se muestran en la siguiente tabla:
| Partícula | Masa [kg] | Carga eléctrica [C] |
|---|---|---|
| Protón | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| Neutrón | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0 (neutra) |
| Electrón | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
Usualmente, los símbolos p^+, e^- y n_0 representan al protón, electrón y neutrón, respectivamente. Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, mientras que los electrones orbitan a su alrededor. Más del 99.9% de la masa de un átomo se concentra en su núcleo.
El número de protones en el núcleo define el elemento al que pertenece un átomo. El número de neutrones define el isótopo de dicho elemento, y el número de electrones indica su estado de ionización. Tradicionalmente, un átomo es considerado neutro, y en caso de que le sobren o falten electrones, se le denomina ión. Los iones pueden ser negativos (aniones) o positivos (cationes).
Propiedades eléctricas de la materia
Las propiedades eléctricas de la materia dependen de su estructura interna y de cómo los átomos o moléculas interactúan entre sí. Aunque un átomo neutro puede parecer no tener carga, esto no significa que no pueda participar en fenómenos eléctricos. Es importante recordar que la naturaleza de la carga eléctrica depende de la interacción entre los átomos y moléculas, y de su capacidad para transferir o compartir electrones formando enlaces.