Cargas Electricas

En física, la carga eléctricaes una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicasque se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticasentre ellas. La materiacargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética. Desde el punto de vista del modelo estándarla carga eléctrica es una medida de la capacidad de la partícula para intercambiar fotones.

Historia y Descubrimiento

Desde la Antigua Greciase conoce que al frotar ámbarcon una piel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de pajay plumas pequeñas. Su descubrimiento se le atribuye al filósofogriego Tales de Mileto(ca. 639-547 a.C.), quién vivió hace unos 2500 años.³

El médico inglés William Gilbert(1540-1603) observó que algunos materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctricopara referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó los términos electricidady carga eléctrica. Además, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación de los fenómenos eléctricosy magnéticos.³

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin Franklinquién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción; por eso los denominó (+) y (-).³

Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIXcuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisisque realizó Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomsonal descubrir el electrón y de Robert Millikanal medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.³

Carga eléctrica elemental

Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10^-19culombios y es conocida como carga elemental.⁵El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como qo Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto.⁶

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×10⁹N.

Un culombio corresponde a 6,241 509 × 10¹⁸electrones.²El valor de la carga del electrón fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con la última lista de constantes del CODATA publicada es:⁵

Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:

1 miliculombio =

1 microculombio =

Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya unidad de carga eléctrica es el Franklin (Fr). El valor de la carga elemental es entonces de aproximadamente 4,803×10^–10Fr.

Propiedades de las cargas

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la cargaestablece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnéticola carga total de un sistema aisladose conserva.

En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera, sólo existe una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.⁴

Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Así por el teorema de Noethera cada simetría del lagrangiano asociada a un grupo uniparamétrico de transformaciones que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una magnitud conservada.⁷La conservación de la carga implica, al igual que la conservación de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuación de continuidadque relaciona la derivadade la densidad de carga eléctrica con la divergencia del vectordensidad de corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio neto en la densidad de carga ρdentro de un volumen prefijado Ves igual a la integralde la densidad de corriente eléctrica Jsobre la superficie Sque encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidadde corriente eléctrica I:

Esta propiedad se conoce como cuantización de la cargay el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electróny al cual se lo representa como e. Cualquier carga qque exista físicamente, puede escribirse como siendo Nun número entero, positivo o negativo.

Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el protón +ey para el neutrón, 0. La física de partículas postula que la carga de los quarks, partículas que componen a protones y neutrones toman valores fraccionarios de esta carga elemental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.⁸

Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de porqué la carga es una magnitud cuantizada, que sólo puede aparecer en múltiplos de la carga elemental, se han propuestos diversas ideas:

• Paul Dirac mostró que si existe un monopolo magnético la carga eléctrica debe estar cuantizada.
• En el contexto de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar Klein encontró que si se interpretaba el campo electromagnético como un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topología , entonces la compacidad de comportaría que el momento lineal según la quinta dimensión estaría cuantizado y de ahí se seguía la cuantización de la carga.

La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya que el modelo estándar no aclara porqué las cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y sólo pueden ser libres cargas que son múltiplos enteros de la carga elemental.

Conductores y Aislantes

Conductores

Un conductor eléctricoes un material que ofrece poca resistencia al paso de la electricidad.

Descripción

Son materiales cuya resistenciaal paso de la electricidad es muy baja. Los mejores conductores eléctricos son metales el cobre, el hierro y el aluminio los metalesy sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafitoo las disolucionesy soluciones salinas(por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma.

Para el transporte de energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, los mejores conductores son el oroy la plata, pero debido a su elevado precio, los materiales empleados habitualmente son el cobre(en forma de cablesde uno o varios hilos), o el aluminio; metal que si bien tiene una conductividad eléctricadel orden del 60% inferior es, sin embargo, un material tres veces más ligero, por lo que su empleo está más indicado en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión¹

La conductividad eléctricadel cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacionalen 1913como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard(Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °Ces igual a 58.0  MS/m.²A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la platao los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.³

Aislantes

El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación eléctrica con un material que no es conductorde la electricidad, es decir, un material que resiste el paso de la corrientea través del elemento que recubre y lo mantiene en su trayectoria a lo largo del pito. Dicho material se denomina aislante eléctrico.

Diferencia entre materiales aislantes y conductores

La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que presentan gran resistenciaa que las cargasque lo forman se desplacen y los conductores tienen cargaslibres y que pueden moverse con facilidad.

De acuerdo con la teoría moderna de la materia(comprobada por resultados experimentales), los átomosde la materia están constituidos por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran a gran velocidad cargas eléctricas negativas. Estas cargas negativas, los electrones, son indivisibles e idénticas para toda la materia.

En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial(o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor.

A este movimiento de electrones es a lo que se llama corriente eléctrica. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir carga de un objeto a otro, estos son los antes mencionados conductores.

Los mejores conductores son los elementos metálicos, especialmente el oro, plata(es el más conductor),¹el cobre, el aluminio, etc.

Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector).

Ley de Ohm: V = I x R

El voltaje hace que la electricidad fluya a lo largo de los alambres de cobre, mientras que el aislamiento que cubre dichos alambres ejercen una resistencia al paso de corriente, que es mucho menor a lo largo del anoo Al aplicar la Ley de Ohm al alambre, tendremos que a menor resistencia del alambre, se tendrá más corriente con el mismo voltaje. Es importante tener presente que ningún aislamiento es perfecto (su resistencia no es infinita), de modo que cierta cantidad de electricidad fluye a lo largo del aislamiento a través de la tierra. Esta corriente puede ser de millonésimas de amperios, pero se debe medir con un buen instrumento de prueba de aislamiento, como el megóhmetro, popularmente conocido como "Megger".

En resumen, un buen aislamiento es el que no se deteriora al aumentar el voltaje y por ende, la corriente, obteniéndose una resistencia alta, la cual se debe mantener en el tiempo. Esto se visualiza al realizar mediciones periódicas y estudiando la tendencia que provoca que un aislamiento se deteriore.

Existen diferentes tipos de solicitaciones:

• Sobretensiones en régimen permanente, o sobretensiones permanentes o en sus proximidades). Se caracterizan por un frente escarpado de duración comprendida entre microsegundos y milisegundos:
• Frente lento: Frente de 20 microsegundos a 500 microsegundos, cola de hasta 20 milisegundos.
• Frente rápido: Frente de 0`1 microsegundos a 20 microsegundos, cola de hasta 300 microsegundos.
• Frente muy rápido: Frente menor(que haya contacto eléctrico) Los materiales utilizados más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción, que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material (para más detalles ver semiconductor).

Un material aislante de la electricidad tiene una resistencia teóricamente infinita. Algunos materiales, como el aire o el agua son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.

Materiales conductores: metales, hierro, mercurio, oro, plata, cobre, platino, plomo, etc.

Materiales aislantes: plástico, madera, cerámicas, etc.

Electrización de un cuerpo

En física, se denomina electrizaciónal efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro.

Electrización por frotación

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidriocon un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápizde pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño al lápiz. Ej : Un globo lo frotas en tu cabeza y luego lo pones cerca de la cabeza de una persona, veras que su cabello se levanta.

El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico, una explicación sobre los materiales y como se cargan puede hallarse en Efecto triboeléctrico.

Electrización por contacto

Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.

Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

Electrificación por Inducción

Consideremos ahora un recipiente metálico, no electrificado, aislado. Se introduce un trozo de vidrio electrificado (carga positiva) en el interior del recipiente, sin tocarlo. Entonces, visto desde el exterior, el recipiente metálico aparece como cargado positivamente. Esta situación se puece visualizar si se suspende del recipiente un par de láminas metálicas conectadas al recipiente por medio de un hilo metálico

Efecto fotoeléctrico

Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

Efecto piezo-eléctrico

El efecto piezoeléctrico, es un fenómeno físico que presentan algunos cristalesdebido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se denomina efecto piezo-eléctrico dircto.
Este efecto funciona también a la inversa: cuando se aplica un campo eléctrico a ciertas caras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas (efecto piezo-eléctrico inverso). Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron este fenómeno en el cuarzoy la sal de Rochelle en 1880 y lo denominaron 'efecto piezoeléctrico' (del griego piezein, 'presionar').
Cuando se comprime el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la estructura de cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la polarización eléctrica de ella.
Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y como los efectos de deformación de la celda suceden en todas las celdas del cuerpo del cristal, estas cargas se suman y se produce una acumulación de la carga eléctrica, produciendo una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal que puede ser muchos voltios.
En el caso contrario, cuando se somete a determinadas caras del cristal a un campo eléctrico externo, los iones de cada celda son desplazados por las fuerzas electrostáticas, produciendose una deformación mecánica.
Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico, y el voltaje eléctrico aplicado en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos encuentran un basto campo de aplicaciones en:

1. Transductores de presión
2. Agujas para los reproductores de discos de vinilo
3. Micrófonos.
4. Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta frecuencia.
5. Generadores de chispas en encendedores
6. Otros

Efecto por influencia de calentamiento

Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Fuerza electrica

Toda la materia está formada por átomos y éstos poseen un núcleo en el que se encuentran los protones (con carga positiva) y los neutrones (sin carga eléctrica) y girando alrededor en órbitas  distintos niveles de energía están los electrones (con carga negativa)

  Los átomos de todos los cuerpos en estado neutro poseen la misma cantidad de electrones que de protones. Los cuerpos pueden cargarse eléctricamente, con carga positiva si pierden electrones y con carga negativa si gana electrones.

 La experiencia ha permitido establecer que cuando se acercan lo suficiente dos cuerpos que poseen carga eléctrica, entre ellos se producen fenómenos de repulsión si las cargas son de igual signo o de atracción si son de diferente signo.

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

 Coulomb dedujo que la fuerza con que se atraen o repelen dos cuerpos pequeños electrizados es mayor cuanto mayor sean las cargas y cuanto menor la distancia que las separa. Podemos así determinar la INTENSIDAD de la fuerza eléctrica.

Campo eléctrico

El campo eléctricoes un campo físicoque es representado mediante un modeloque describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.¹Matemáticamente se describe como un campo vectorialen el cual una carga eléctricapuntual de valor qsufre los efectos de una fuerzaeléctrica dada por la siguiente ecuación:

(1)

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorialcuadridimensional, denominado campo electromagnéticoF^μν.²

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricascomo en campos magnéticosvariables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faradayy los estudios posteriores de James Clerk Maxwellpermitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.

Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnéticaen el año 1832.

La unidad del campo eléctrico en el SIes Newtonpor Culombio(N/C), Voltiopor metro (V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s⁻³·A⁻¹y la ecuación dimensional es MLT^-3I^-1.