Carga y corriente elétrica

Carga y corriente elétrica

Recurso educativo que entrega los contenidos de física relacionados con la carga y corriente eléctrica. Contiene ilustraciones.

Carga y corriente eléctrica

La electricidad en nuestra vida cotidiana. Pensemos en los artefactos eléctricos y electrónicos con los que interactuamos a diario. Pensemos también en cómo funcionan hoy las industrias, los medios de comunicación y los medios de transporte. Todos ellos constituyen un conjunto muy grande de inventos sin los cuales resulta difícil imaginar nuestras vidas. Toda nuestra civilización depende de la electricidad. Hace poco más de cien años nada de lo descrito existía y la vida de las personas era muy distinta.

Es importante entender que la “luz eléctrica”, la radio, la televisión, etc. son invenciones del ser humano, pero la esencia en base a la cual funcionan: la electricidad, ha existido desde el origen del universo. La electricidad, como veremos, está en la materia y lo que hacemos es solamente utilizarla. En este capítulo aprenderemos las principales características de este fenómeno físico, comprenderemos cómo funcionan algunos inventos y conoceremos a los científicos que contribuyeron a su comprensión y desarrollo.

¿Qué entemos por electricidad?

La electricidad es una propiedad general de la materia, que existe en forma de “cargas”. La electricidad se manifiesta a través de interacciones (fuerzas) a distancia entre cargas eléctricas o entre cuerpos cargados. Las cargas eléctricas residen en las apcrtículas elementales que constituyen el átomo.

Todo lo que existe en nuestro entorno, incluido nosotros y el aire, está constituido por átomos que poseen cargas eléctricas. Dichas cargas eléctricas son de dos tipos: positivas (en este caso protones) y negativas (los electrones). El átomo se encuentra normalmente en estado neutro; es decir, en ellos existe igual cantidad de cargas eléctricas positivas (+) como de negativas (–); o sea, igual cantidad de protones y electrones. Distintas circunstancias permiten modificar este equilibrio. Cuando ello ocurre decimos que los cuerpos están electrizados y manifiestan poderosas fuerzas de atracción o de repulsión.

En un modelo clásico de átomo las cargas positivas o protones, se encuentran agrupadas en el núcleo, que concentra la mayor parte de la masa del átomo. Las cargas negativas por su parte, es decir los electrones, se encuentran orbitando en una nube en torno al núcleo, con una masa casi despreciable comparada con el núcleo.

En el núcleo además, se encuentran otras partículas de masa similar a la del protón, pero que no tienen carga eléctrica es decir, los neutrones.

Si bien es cierto un electrón tiene la carga negativa exacta para neutralizar al protón positivo, sus masas son muy diferentes, ya que la masa de un protón es aproximadamente 1800 veces la masa de un electrón.

átomo

La electrostática corresponde al estudio de las fuerzas que ejercen las cargas cuando están en reposo (o su movimiento no es significativo), en contraposición con la electrodinámica, que corresponde al estudio de los fenómenos que se producen cuando las cargas eléctricas están en movimiento. En este último caso hablamos de corriente eléctrica y le asociamos efectos magnéticos.

Cuando un cuerpo está electrizado se debe a que tiene un desequilibrio entre sus cargas eléctricas positivas o negativas. De acuerdo al modelo de átomo y considerando que la masa de lo electrones totalmente despreciable en comparación con la masa de los protones, es fácil concluir que si un cuerpo tiene carga positiva o negativa, se debe a que ha perdido o ganado electrones. Es lo que le ocurre, por ejemplo, a una peineta de plástico que ha sido pasada por el pelo. Habitualmente cundo se frota una peineta de plástico con los cabellos, desde éstos últimos se transfieren electrones al plástico, de tal forma que queda electrizada negativamente y adquiere la capacidad de atraer o repeler pequeños cuerpecitos como papel picado, hilachas, etc.

Cuando un cuerpo “adquiere carga eléctrica”, ya sea positiva o negativa, significa que el cuerpo cede o gana electrones. En efecto, no se genera carga eléctrica, sino que solamente se redistribuye. Cuando hay transferencia de carga entre cuerpos, son los electrones (cargas negativas) los que se transfieren desde un cuerpo a otro, ya que tienen una masa más de 1800 veces menor que la masa de los protones, los que además se encuentran formando parte de los núcleos atómicos.

Conductores y aisladores

En algunas sustancias, las cargas eléctricas pueden desplazarse a través de ellas. En tal caso decimos que la sustancia o el cuerpo formado de ella es un conductor eléctrico. Si por el contrario, en una sustancia o un cuerpo no existe esta posibilidad de movimiento de las cargas, decimos que el cuerpo o la sustancia, es un aislador eléctrico. Ejemplos de aislador eléctrico es el vidrio, la madera seca, el cerámico, el plástico, el aire seco, el papel, etc.

Las sustancias que se consideran conductoras de la electricidad pueden ser sólidas (como los metales) o bien fluidos (líquidos o gases). Es importante destacar que en el caso de los conductores sólidos, sólo pude desplazarse la carga negativa, es decir los electrones, ya que su pequeña y casi despreciable masa en relación a los núcleos hace que puedan “saltar” desde un átomo a otro sin que se observe movimiento de msas en el interior de la sustancia. Ejemplo de buenos conductores sólidos son los metales, el carbón, y el grafito.

En los fluidos conductores por su parte, la carga que puede desplazarse no sólo corresponde a electrones, sino que también pueden ser iones (átomos cargados), protones o electrones. Un buen ejemplo de conductores fluido son los gases ionizados, las soluciones ácidas, alcalinas, etc.

Entre los materiales que nos rodean algunos son mejores conductores que otros. En situaciones ordinarias ellos pueden ordenarse del modo que se ilustra en la siguiente figura: desde aisladores (o malos conductores) a muy buenos conductores, pasando por un grupo de materiales denominados semiconductores.

Conductores y aisladores eléctricos

Es necesario tener presente que algunos materiales, considerados tradicionalmente aisladores, pueden no serlo tanto: un caso emblemático es el del agua. Si por agua entendemos la que sale de las llaves, la de ríos y mares, entonces estamos

...