Tema 1: CARGA ELÉCTRICA
Las fuerzas electromagnéticas entre partículas cargadas son una de las interacciones fundamentales de la naturaleza.
Un amplio número de experiencias cotidianas demuestra la existencia de la fuerza eléctrica: los pequeños “chispazos” que se ven al quitarse un buzo de lana en la oscuridad, los pelos que se disparan al pasar el peine, las reglas de plásticos frotadas que atrae pelos o papelitos, un globo frotado con lana se “pega” a una pared (con pintura aislante) durante un tiempo…

En todos los casos decimos que el cuerpo se ha “electrificado” o bien que se ha “cargado”.
¿Qué es lo que ha pasado?
La respuesta a esa pregunta tiene una larga historia que abarca varios siglos: “algo” cambia en los cuerpos para manifestar esas fuerzas.

Se debe a Benjamín Franklin (1706–1790) los experimentos que demostraron la existencia de “dos tipos” de carga eléctrica en los cuerpos, a las cuales denominó “positiva” y “negativa”
Uno de ellos es el de la figura: colgando una barra de goma frotada en un extremo, si se acerca una barra de vidrio frotada independientemente se verifica una atracción entre ellas; pero si se acerca otra barra de goma también frotada, las fuerzas son de repulsión…¡vidrio y goma manifiestan tener cargas distintas! Y se deduce: cargas de un mismo tipo se repelen y de distinto tipo se atraen.


Carga eléctrica y estructura atómica y molecular de los cuerpos
Una variedad de observaciones y experimentos fueron evidenciando que la estructura íntima de la materia se compone de algunas “partículas” comunes a todos los cuerpos.
El “átomo” lejos de ser una estructura indivisible resultó ser compuesto por una variedad de “corpúsculos” ordenados: constan de un núcleo central, formado a su vez por partículas denominadas PROTÓN y NEUTRÓN, que contienen prácticamente toda la masa del átomo, rodeados por un número determinado de corpúsculos “livianos” denominados ELECTRONES que giran en determinadas condiciones alrededor del núcleo (¡y mucho, mucho vacío entre ellos!).
Ese modelo se repite de modo que átomos de distintas sustancias sólo se diferencian por el número de esas partículas que contienen. Por ejemplo, el átomo más simple es el de la sustancia llamada “hidrógeno” (H) que consta de 1 protón y 1 electrón girando (el hidrógeno “pesado” tiene 1 protón y 1 neutrón en el núcleo).
Lo notable es que se descubrió (experimentalmente) que protones y electrones son las partículas que manifiestan la carga eléctrica, siendo los primero “positivos” y los segundos “negativos” (los neutrones, otro de los “nucleones”, son neutros, no manifiestan carga eléctrica, quizás por que contienen ambas y se compensan…).
De esa manera un átomo es “normalmente” neutro porque tiene igual número de protones en el núcleo que de electrones girando alrededor, lo cual implica algo que no tiene por que ser evidente: el valor de la carga del protón (+) es igual al valor de la carga del electrón (-).
A su vez los cuerpos se componen de gran cantidad de átomos. Un cuerpo de una sustancia “pura”, pongamos una barra de cobre, contiene sólo átomos de cobre (Cu) que se unen formando una red cristalina de átomos iguales (¿cómo “se unen” los átomos?). Pero la mayoría de los cuerpos no son “puros” son combinaciones de distintos átomos que se unen formando moléculas: así, por ejemplo, el agua está formada por moléculas que constan de 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno (H2O). Distintas combinaciones determinan sustancias y cuerpos con propiedades físicas y químicas distintas, con una estructura molecular definida (y conocida).

Conductores y aisladores
Del punto de vista de su comportamiento eléctrico los cuerpos se dividen en CONDUCTORES y AISLADORES. ¿Por qué?
Básicamente debido a la movilidad de los electrones en su estructura cristalina: los conductores poseen gran cantidad de electrones que a temperatura ambiente se encuentran “libres” es decir pueden abandonar las moléculas y moverse en forma aleatoria por el cuerpo (“entrando” y “saliendo” de las moléculas, en una danza continua).
Los aisladores o aislantes, por particularidades de sus moléculas, no permiten la movilidad de sus electrones y se requiere mucho más energía para “sacar” electrones que la disponible a temperatura ambiente, manteniéndose la estructura molecular estable y neutra. Se requiere que a alguien (o algo) se le ocurra frotarlos con una piel o con una tela de seda: al frotar “calienta” el cuerpo lo suficiente como para que un gran número de electrones (-) abandonen sus moléculas, dejando atrás un número igual de cargas + sin compensar. Esto hace que el cuerpo quede “electrificado”.
En el ejemplo de las barras de goma y de vidrio, ambos son cuerpos aislantes…entonces ¿qué ocurre?
Al frotar la barra de goma con lana, ésta pierde electrones que quedan retenidos en la punta de la barra de goma. Fíjense que no se pueden desplazar por el resto del cuerpo por lo que quedan confinados en la región del cuerpo que fue frotada; por tanto esa zona queda con exceso de electrones y manifestará una carga negativa.
Al frotar la barra de vidrio, es ésta la que pierde electrones que van hacia la lana: la zona frotada queda con defecto (falta) de electrones por lo que manifestará carga positiva.
Por eso, al aproximar ambas barras se atraen. Pero si son ambas de goma (o de vidrio) se repelen pues sus cargas tendrán igual signo.
¡Está explicado! Así que el calor mueve los electrones…¿o sea que si caliento un material aislante este se cargará? ¡Resulta que no! ¿Por qué?

Propiedades de las cargas eléctricas
En 1909, Robert Millikan (1868-1953) descubrió que la carga eléctrica siempre aparece en una cantidad múltiple de otra cantidad fundamental. Por ello se dice que la carga está cuantizada.
Es decir, si se denomina q a la carga que tiene un cuerpo y e al valor fundamental, se cumple siempre la relación q = n. e siendo n un número entero.
Esto derivó en la definición de carga elemental e, que resultó ser el valor de la carga que manifiesta cada electrón y cada protón.
Lo notable es que esa cantidad no depende del tiempo ni de la velocidad de las partículas, por lo que se dice que la carga es invariante.

Pero además, no existen (aún) razones para suponer que un electrón o un protón aquí en la Tierra sea diferente a cualquier otro situado en los confines del universo, por lo que todos tienen igual carga. Y cómo tampoco hay razones para suponer que existan más protones que electrones, se supone que el universo es neutro, es decir tiene igual valor total de carga positiva que negativa.
Esto implica que la carga se conserva, vale decir el número total de carga es siempre el mismo aunque en determinados puntos puedan existir más de un tipo que de otro, como en un cuerpo cargado (la conservación de la carga se ha demostrado directa e indirectamente en múltiples y diversos experimentos).

En síntesis, las propiedades de la carga eléctrica son:
- se manifiestan en dos tipos, llamados negativo y positivo, lo que determina fuerzas de atracción y de repulsión entre ellas.
- está cuantizada es decir existe una carga eléctrica mínima (fundamental) y todas las demás son múltiplos enteros de ella (se denomina e al “cuanto” o “cuantum” de carga)
- se conserva es decir en cualquier interacción entre cuerpos o partículas la carga total antes de la interacción es igual a la carga después de la misma.
- es invariante, es decir el valor de e no depende de las condiciones externas a las partículas cargadas (por ejemplo su velocidad) ni cambia con el tiempo.