Carga Eléctrica

Para no esperar la caida de un rayo, o experimentar con ellos cuando caigan, podemos realizar un experimento ``antigravedad'' muy sencillo. Cortemos papel con una tijera hasta lograr papelillo. Acerquemos cualquier objeto de plástico, por ejemplo, un peine o una regla para dibujar o medir. ¿Qué ocurre? Absolutamente nada. Ahora frotemos el plástico con una tela, por ejemplo, con la tela de un pantalón. Acerquemos de nuevo el plástico al papelillo ¿Que ocurre? Voilá. Ocurre algo que no podemos explicar con la ley de gravitación universal de Newton, algo nuevo tenemos que aprender sobre como interactúa la materia y sobre otras propiedades intrínsecas, además de la masa.

Podemos pensar en términos termodinámicos porque observamos que por efecto de la fricción la temperatura aumenta tanto en el plástico como en la tela. Hemos transferido calor al interior de ambos cuerpos por conducción o contacto. Bien, ¿y ahora qué? La gravitación no explica el fenómeno observado, ni la termodinámica, porque evidentemente hay algo más que calor que se ha transferido de un material a otro. A este fenómeno lo denominaremos eléctrico; los Griegos ya lo habían observado cuando frotaban el ambar (la palabra electrón deriva de la palabra griega para ambar).

El fenómeno eléctrico se explica por la existencia de una propiedad intrínseca de la materia denominada carga eléctrica. Entonces, ¿Cuál es la naturaleza de la carga eléctrica? $\prec$ Cargas eléctricas del mismo signo se repelen y cargas de signo opuesto se atraen.$\,\succ$

La carga eléctrica fundamental es

$$e=1,6\times 10^{-19} C,$$

donde $C$ es la unidad internacional de carga eléctrica denominada Coulombio. Un electrón tiene una carga eléctrica negativa $e^-=-e$. $\sim$La carga eléctrica está cuantizada$\,\sim$, es decir, cualquier cantidad de carga en la naturaleza se encuentra en múltiplos de $e$

$$q=ne, n=0, \pm 1, \pm 2, ...$$

Existen unas partículas denominadas quarks que pueden tener cargas fraccionarias, pero ellas no se pueden encontrar aisladas. Por ejemplo, un protón tiene una carga $+e$ y está constituido por tres quarks $(+\frac{2}{3}e,+\frac{2}{3}e,-\frac{1}{3}e)$. Por cierto, el $e^-$ no está constituido por quarks, es una partícula fundamental. Un neutrón está constituido por tres quarks $(-\frac{1}{3}e,-\frac{1}{3},+\frac{2}{3}e)$.

También se ha observado que la carga eléctrica total se conserva $\sim$ Una disminución de la carga eléctrica en un volumen dado, corresponde a un flujo de carga eléctrica a través de la superficie que encierra al volumen. $\,\sim$ Para no dejar cabos sueltos, regresemos al experimento con el papelillo. En términos de la carga eléctrica podemos explicar el fenómeno. Por fricción (para aumentar la temperatura y en consecuencia la movilidad de las cargas en la tela) y contacto hemos transferido cargas eléctricas negativas (electrones) al plástico y ellas quedan adosadas a éste. El papelillo con carga neta neutra se polariza (por inducción) ante la cercanía del plástico cargado. En el papelillo se forman dipolos eléctricos de tal forma que las cargas positivas se distribuyen quedando más cerca del plástico (por atracción) y las negativas se alejan de éste (por repulsión). Es posible también hacer experimentos con otros tipos de materiales de los que podemos extraer electrones (cargas móviles en los materiales), resultando cargados positivamente, por ejemplo un metal frotado con una tela plastificada. En términos eléctricos el plástico es un aislante y el metal es un conductor (permite una alta movilidad de electrones).