Coulomb: definición e interacciones

Introducción: electricidad estática

¿Alguna vez se ha sorprendido al tocar un objeto metálico? La mayoría de nosotros lo hemos hecho. Incluso los objetos que no son aparatos eléctricos pueden producir una descarga. Por ejemplo, después de conducir en la autopista durante unas horas, generalmente me detengo en un área de descanso al borde de la carretera o llego a mi destino. Cuando alcanzo la manija de la puerta para salir del auto, puedo sentir un shock al hacer contacto con la manija. Es posible que tenga una experiencia similar cuando use calcetines en la alfombra y, de repente, toque el pomo de una puerta. Atribuimos esta experiencia ligeramente sorprendente a la electricidad estática .

El tipo de descarga que experimenta en la vida cotidiana es el resultado de una acumulación excesiva de carga eléctrica, ya sea en usted o en otro objeto que toque. La mayoría de los objetos que nos rodean, incluidos nuestros cuerpos, son eléctricamente neutros la mayor parte del tiempo, por lo que las interacciones eléctricas son raras y sorprendentes. Sin embargo, su cuerpo o un objeto pueden cargarse eléctricamente cuando se frota contra un material áspero o pegajoso, como sus calcetines y la alfombra. En este artículo, discutiremos diferentes aspectos de la electricidad estática, cómo se mide la carga eléctrica y de dónde proviene.

Los rayos son un fenómeno común que resulta de la acumulación de un exceso de carga estática.

Coulomb: la unidad de medida de carga

El movimiento de la carga es bien entendido por los científicos, quienes han desarrollado instrumentos y métodos que miden con precisión el exceso de carga en un objeto. Uno de los primeros científicos en estudiar la transferencia de carga utilizando métodos científicos fue Charles-Augustin de Coulomb a mediados del siglo XVIII. Debido a sus primeras contribuciones a la teoría científica de la electrostática , el estudio de las interacciones entre objetos cargados, la unidad estándar de medida de la carga eléctrica lleva su nombre: el culombio , abreviado por la letra C.

Charles-Augustin de Coulomb realizó los primeros estudios científicos en el campo de la electrostática.

Un culombio está relacionado con otras unidades de medida comúnmente asociadas con la electricidad. Por ejemplo, un aparato eléctrico que funciona con 1 amperio de corriente eléctrica tiene exactamente 1 culombio de carga que pasa por sus circuitos cada segundo. La carga eléctrica también está relacionada con la fuerza eléctrica, pero este es el tema de otro artículo sobre la ley de fuerza de Coulomb.

¿De dónde viene la carga eléctrica?

Los objetos que están cargados eléctricamente son volátiles e interactúan fácilmente con los objetos cercanos. ¿Por qué algunos objetos están cargados eléctricamente y otros no? Además, ¿por qué el roce y otros movimientos hacen que la materia se cargue? Las respuestas a estas preguntas proporcionan una fuerte evidencia de nuestra comprensión científica moderna de las partículas subatómicas que componen la materia que nos rodea.

La ciencia moderna ha adoptado un modelo de átomos individuales que consta de una partícula central, el núcleo atómico, que está orbitado por una o más partículas más pequeñas llamadas electrones . Los electrones y el núcleo se describen como subatómicos porque son partes de átomos y, por lo tanto, son más pequeños que los átomos. Se ha demostrado que el núcleo atómico está formado por partículas subatómicas, protones y neutrones aún más pequeños . La carga se origina con partículas subatómicas.

Representación esquemática de un átomo de berilio que muestra el núcleo atómico y los electrones.

Una larga progresión de experimentos, que comenzó en el siglo XIX, proporciona evidencia de que las partículas subatómicas se caracterizan por dos tipos diferentes de carga eléctrica, que denominamos carga positiva y carga negativa . A medida que los científicos descubrieron cómo manipular la materia para separar las cargas negativas de las cargas positivas dentro de un átomo, aprendieron en consecuencia que los electrones, por naturaleza, están cargados negativamente. Por otro lado, los protones dentro del núcleo atómico están cargados positivamente.

Carga fundamental

Hasta donde saben los científicos, todos los electrones llevan la misma carga eléctrica y es imposible «descargar» un electrón. En otras palabras, la carga negativa de un electrón es una característica natural. Ningún proceso conocido puede eliminar o destruir la carga de un electrón. La carga negativa de un solo electrón se ha medido meticulosamente en experimentos y resulta ser 1,602×10 ^ -19 C. Es un número inimaginablemente pequeño con 18 ceros después del decimal antes del «1» inicial (0,0000000000000000001).

Se han medido resultados similares para los protones: están cargados eléctricamente por naturaleza y cada protón tiene exactamente la misma cantidad de carga. Los experimentos han demostrado que la cantidad de carga transportada por un protón es 1.602×10 ^ -19 C. De manera algo inexplicable, un protón transporta la misma cantidad de carga eléctrica que un electrón, pero el tipo de carga que transporta es diferente. Los protones llevan carga positiva en lugar de carga negativa.

La magnitud de la carga transportada por un electrón o un protón se denomina carga fundamental y, a menudo, se representa con una e minúscula .

Definición de carga fundamental.

A veces, la carga de un electrón se representa como -e , donde el signo menos indica el tipo de carga eléctrica. Del mismo modo, la carga de un protón a veces se escribe como + e .

Carga neta

Ningún proceso conocido puede eliminar la carga eléctrica de un electrón o un protón; son inseparables de la misma manera que un electrón es inseparable de su masa. Sin embargo, la teoría matemática de la electrostática dice que los efectos eléctricos de una partícula cargada, digamos, un protón, se pueden negar esencialmente si una partícula con la misma magnitud de carga, pero de tipo opuesto, está cerca de la partícula. Esto nos lleva a la importante idea de carga neta .

Se dice que un átomo que tiene el mismo número de protones y electrones tiene carga neta cero. La carga positiva total en tal átomo es igual a la carga negativa total, que en conjunto producen una carga neta de cero. Un átomo que tiene carga neta cero no exhibe influencia eléctrica más allá de sus átomos vecinos porque los efectos eléctricos de las cargas positivas son contrarrestados por los efectos de los electrones cargados negativamente que pululan alrededor del núcleo. Los átomos que tienen carga neta cero tienden a ser estables; por tanto, la mayoría de los átomos de los objetos que nos rodean tienen el mismo número de protones y electrones.

La idea de carga neta proporciona una idea de cómo se puede cargar un objeto cotidiano. Toda la materia que nos rodea, desde mesas y escritorios hasta nuestros cuerpos, nuestras computadoras y teléfonos, consiste en miles de millones de átomos individuales que (en su mayoría) tienen carga neta cero. Sin embargo, si algunos de los átomos de un objeto perdieran algunos de sus electrones, el equilibrio entre las cargas positivas y negativas del objeto se alteraría. Este escenario haría que el objeto interactuara eléctricamente con otros objetos cercanos.

De hecho, la producción de un objeto con carga neta ocurre de forma natural. Frotar un objeto en otro objeto a veces puede provocar que los electrones en los átomos cerca de la superficie de un objeto se peguen a los átomos del otro objeto. Se dice que el objeto que pierde electrones gana una carga neta positiva (porque sus protones ahora superan en número a sus electrones). El objeto que recoge los electrones extraídos gana una carga neta negativa (porque ahora tiene más electrones que protones).

Cuando toca un objeto que tiene una carga eléctrica neta diferente a la de su cuerpo, los electrones se mueven rápidamente para neutralizar la carga neta del objeto. Por ejemplo, si está eléctricamente neutro y toca un objeto que tiene carga neta positiva, los electrones de su cuerpo se transportan al objeto, produciendo la sensación de un choque. Por el contrario, si toca un objeto que tiene carga neta negativa, el exceso de electrones del objeto fluye hacia su cuerpo. Quizás sorprendentemente, las sensaciones de los electrones que abandonan su cuerpo y los electrones que se mueven hacia su cuerpo son idénticas.

Resumen de la lección

En esta lección, discutimos cómo las partículas subatómicas cargadas eléctricamente producen efectos eléctricos que se sienten en nuestra vida diaria. Introdujimos el culombio , una unidad estándar de medida de carga eléctrica. La cantidad de carga que llevan los electrones y protones se llama carga fundamental y se mide en culombios. Vimos cómo un desequilibrio microscópico de protones y electrones en la materia conduce a carga neta y electricidad estática .

Rodrigo Ricardo Editor y fundador