Carga eléctrica
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Carga eléctrica. Las fuerzas Electromagnéticas son responsables de la estructura de los Átomos y del enlace de los mismos en las Moléculas y en los sólidos. Muchas propiedades de los materiales son de naturaleza Electromagnética, como la elasticidad de los sólidos y la tensión superficial de los líquidos. La fuerza de un resorte, la fricción y la fuerza normal tienen su origen todas ellas en la fuerza electromagnética entre los átomos. Entre los ejemplos de Electromagnetismo se encuentra la fuerza entre cargas Eléctricas, como la que existe entre el electrón y el Núcleo en un Átomo.
En la naturaleza
En una escala más amplia, todos estamos familiarizados con el fenómeno del relámpago. Tales fenómenos ponen en evidencia la gran cantidad de carga eléctrica que se almacena en los objetos que nos rodean.
La neutralidad eléctrica de la mayoría de los objetos en nuestro mundo visible y tangible oculta el contenido de la cantidad enorme de carga eléctrica positiva y negativa que, en su mayor parte, se cancelan entre sí en sus efectos externos. Sólo cuando este equilibrio eléctrico se perturba la naturaleza nos revela los efectos de una carga positiva o negativa no compensada. Cuando decimos que un cuerpo está ¨cargado¨ queremos decir que tiene un desbalance de carga, aún cuando la carga neta represente generalmente tan sólo una pequeñísima fracción positiva o negativa total contenida en el cuerpo.
Los cuerpos cargados ejercen fuerza entre sí. Para demostrarlo carguemos una varilla de vidrio frotándola con seda. En el proceso de frotamiento se transfiere una pequeñísima cantidad de carga de un cuerpo a otro, alterando así ligeramente la neutralidad Eléctrica de cada uno, si suspendemos esta varilla cargada de una cordón y le acercamos una segunda varilla cargada estas se repelen entre sí, sin embargo, si frotamos un trozo de piel contra una varilla de plástico, esta atrae al extremo de la varilla de vidrio suspendida.
Para explicar esto decimos entonces que existen dos clases de carga, una de las cuales (la de vidrio frotado con la seda) llamamos positiva y la otra (la plástico frotado con piel) llamamos negativa. Estos sencillos experimentos pueden resumirse en lo siguiente:
Las cargas del mismo signo se repelen, y las cargas de signo contrario se atraen.
Los nombres de positivo y negativo referidos a la carga eléctrica se deben a Benjamin Franklin (1706-1790) quien, además de descollar en muchas diferentes actividades, fue un científico de renombre internacional.
Las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados tienen muchas aplicaciones industriales, estando entre ellas el rociado electrostático de pintura y el recubrimiento con polvos, la precipitación de cenizas volantes, la impresión sin impacto por chorro de tinta, el fotocopiado ect.
Conductores y aislantes
Si sujetamos una varilla de cobre, no podemos hacer que quede cargada, por mucho que la frotemos con material alguno. Sin embargo si equipamos la varilla con un mango de plástico, seremos capaces de crear una carga. La explicación es que la carga puede fluir fácilmente por ciertos materiales, llamados conductores, de los cuales el cobre es un ejemplo.
En otros materiales llamados aislantes las cargas no fluyen en la mayoría de los casos; si colocamos cargas en un aislante, como la mayor parte de los plásticos, las cargas permanecen donde las pusimos. La varilla de cobre no puede ser cargada porque toda carga que coloquemos fluirá fácilmente a lo largo de la varilla, a través de nuestro cuerpo (que es también un conductor), y a tierra. Sin embargo el mango aislante bloquea el paso permitiendo que se cree la carga en el cobre.
El vidrio, el agua químicamente pura y los plásticos son ejemplos comunes de aislantes. Si bien no existen aislantes perfectos, el cuarzo fundido es bastante bueno, su capacidad aislante es de alrededor de 1025 veces la del cobre (Cu).
El cobre, los metales en general, el agua de la llave y el cuerpo Humano son ejemplos comunes de conductores. En los metales un experimento llamado efecto Hall demuesra que las cargas negativas (electrones) son las que pueden moverse libremente.
Cuando los átomos de cobre se unen para formar el cobre sólido, sus electrones exteriores no permanecen unidos a cada átomo, sino que quedan en libertad de moverse dentro de la estructura reticular rígida formada por los centros de los iones cargados positivamente. A estos electrones móviles se les llama electrones de conducción.
Las cargas positivas en una varilla de cobre permanecen tan inmóviles como lo están en una varilla de vidrio.
Ejemplo 1.
Una varilla de plástico cargada negativamente atrae cualquier extremo de una varilla de cobre suspendida y no cargada. Los electrones (móviles) de conducción en la varilla de cobre son repelidos por la carga negativa en la varilla de plástico y se mueven hacia el extremo más lejano de la varilla de cobre, dejando al extremo cercano de esta con una carga positiva neta.
Ejemplo 2.
Una varilla de vidrio cargada positivamente atrae también a una varilla de cobre no cargada. En este caso los electrones de conducción en el cobre son atraídos por la varilla de vidrio cargada positivamente hacia el extremo cercano de la varilla de cobre, el extremo más alejado de esta queda entonces con una carga positiva neta.
Esta distinción entre conductores y aislante resulta más cuantitativa cuando consideramos el número de electrones de conducción disponibles en una cantidad de material dada. En un conductor típico, cada átomo puede contribuir con un electrón de conducción y por tanto, debería haber unos 1023 electrones de conducción por cm3 en promedio. En cambio, en un aislante a la temperatura ambiente es en general poco probable encontrar siquiera 1 Electrón de conducción por cm3.
En un punto intermedio entre los conductores y los aislantes están los semiconductores como el silicio o el germanillo; un semiconductor típico puede contener entre 1010 y 1012 electrones de conducción por cm3. Una de las propiedades de los semiconductores que los hace tan útiles es que la densidad de los electrones de conducción puede cambiarse pronunciadamente mediante cambios pequeños en las condiciones del material, introduciendo por ejemplo pequeñas cantidades (menos de 1 parte en 109) de impurezas o variando el voltaje aplicado, la temperatura ó la intensidad de la luz que incide sobre el material.
Fuente
- HALLIDAY, D. Física Volumen 2.Versión Ampliada, Cuarta Edición 1992. ISBN 0-08-021680-3
