NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

Desde la antigüedad se conoce la existencia de una interacción entre los objetos materiales que no se pone de manifiesto en todo momento, como ocurre con el peso. Sólo se aprecia directamente cuando la materia está en un estado determinado; cuando está electrizada. De todos es conocido el efecto de frotar una varilla de plástico o de vidrio: estas sustancias adquieren entonces la propiedad de atraer pequeños objetos.

Hoy se sabe que la interacción eléctrica tiene su origen en una propiedad de las partículas elementales llamada carga eléctrica. A diferencia de la masa, que existe bajo una única forma, la carga puede ser de dos tipos, que designamos como positiva y negativa. Esto se evidencia en el hecho de que los cuerpos electrizados pueden atraerse o repelerse. Hay partículas que carecen de carga y se dice que son neutras.

A pesar de que la fuerza entre cargas eléctricas es mucho más intensa que la atracción gravitatoria, no la percibimos en condiciones normales. La razón es que la materia ordinaria está compuesta por partículas con carga positiva (protones) y otras con carga igual pero negativa (electrones), además de las que no tienen ninguna carga o neutrones.

En una muestra de materia común hay el mismo número de protones que de electrones, por lo que sus efectos eléctricos sobre otros cuerpos tienden a cancelarse. Sólo se perciben cuando hacemos que la muestra tenga un exceso o defecto de electrones transfiriéndolos a otro lugar. Es lo que ocurre cuando se frota una varilla de vidrio (pierde electrones y adquiere carga +) o una de baquelita (gana electrones y se carga negativamente).

Sin embargo la carga total no sufre variación; se conserva. Lo que ocurre es que los electrones se transfieren al paño con que se frota o son cedidos por él, quedando con una carga igual y opuesta a la del cuerpo electrizado.

Un cuerpo cargado atrae a otro neutro porque atrae a las cargas de signo contrario y repele a las del mismo signo, produciendo una separación o polarización de las cargas del cuerpo neutro. Como veremos, la fuerza electrostática disminuye con la distancia, por lo que la atracción es más intensa que la repulsión. Si entran en contacto, el exceso de cargas puede repartirse entre los dos cuerpos, que entonces se repelerán.

Una cantidad de carga cualquiera sólo puede ser múltiplo entero de la carga del electrón. Decimos que está cuantizada, que se presenta en cantidades discretas o cuantos. Si bien la carga elemental es muy pequeña, no es infinitesimal; por tanto, cuando hablemos de diferenciales de carga entenderemos que se trata de una cantidad pequeña a escala macroscópica pero grande a escala atómica.

La interacción eléctrica es la responsable de la estructura de los elementos y compuestos químicos que forman la materia. Los electrones de un átomo se unen a los protones del núcleo mediante fuerzas eléctricas. A su vez, los átomos se unen entre sí de diversas formas en virtud de atracciones eléctricas o enlaces. La manera en que se realizan dichos enlaces da lugar a la enorme variedad de sustancias, con sus propiedades tan diferentes: desde el estado de agregación (sólidos, líquidos o gases) hasta la conductividad, todas tienen su origen y explicación en las interacciones entre cargas.

Por ejemplo, en algunas sustancias los electrones están fuertemente ligados a los núcleos y su movilidad es escasa: se dice que son aislantes eléctricamente. Sin embargo hay otras, como los metales, que tienen electrones prácticamente libres para desplazarse por la sustancia y son capaces de transportar la carga eléctrica: decimos que son conductores. En realidad hay toda una gama entre uno y otro extremo.

En resumen:

· Las cargas eléctricas existen bajo dos formas: positivas y negativas. Las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen.

· La carga está cuantizada: siempre es un múltiplo entero de la carga elemental.

· La materia en su conjunto es neutra, con igual número de cargas positivas que negativas. La carga total, considerando su suma algebraica, se conserva.

Carga eléctrica

La materia está formada por átomos eléctricamente neutros. Cada átomo posee un pequeño núcleo que contiene protones dotados cada uno con una carga positiva y neutrones de carga nula. Rodeando al núcleo existe un número igual de electrones negativamente cargados. El electrón y el protón tienen cargas de igual magnitud pero distinto signo. La carga del protón es e y la del electrón -e, siendo e la unidad fundamental de carga. Todas las cargas se presentan en cantidades enteras de la unidad fundamental de carga e. Es decir, la carga está cuantizada. Toda carga Q presente en la naturaleza puede escribirse de la forma Q = Ne, siendo N un número entero. La cuantización de la carga no se observa normalmente porque N es casi siempre un número muy grande.

La carga no se crea, sino simplemente se transfiere. La carga neta de un sistema considerada globalmente no cambia. Es decir, la carga se conserva. La ley de conservación de la carga es una ley fundamental de la naturaleza. Aunque en ciertos procesos puede ocurrir que los electrones se creen o se aniquilen, en todos se producen o se destruyen cantidades iguales de cargas negativas y positivas, de manera que la carga del universo no varía.

La unidad de carga es el Culombio. La unidad fundamental de carga eléctrica e está relacionada con el culombio por e = 1,60 x 10-19 C.

Materiales conductores: aquellos en los que parte de los electrones pueden moverse libremente en el seno del material (metales).

Materiales aislantes: todos los electrones están ligados a los átomos próximos y ninguno puede moverse libremente (madera, vidrio).