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Ciencias Naturales, Fuerza y movimiento

5° Básico

La interacción eléctrica

Existen dos estados de electrificación. Para diferenciarlos, Benjamín Franklin les dio el nombre de estados de carga positiva (+) y carga negativa (-).

En el año 1600, el médico inglés William Gilbert se dio cuenta de que la electrificación  es un fenómeno general y que no se limita tan solo al ámbar. Más adelante, Benjamín Franklin determinó que las interacciones eléctricas responden a la existencia de una propiedad de la materia que denominó carga eléctrica; además, luego de sucesivos experimentos con caucho y vidrio, constató que hay dos tipos de carga eléctrica. Esta fue su conclusión después de observar que si se frota una barra dura de caucho contra la piel y luego se suspende de un hilo, y, paralelamente, se frota una barra de vidrio contra una tela de seda y luego se acerca a la barra de caucho, observaremos que existe una fuerza de atracción entre ambas barras (tienden a juntarse); mientras que si se acerca una de las barras de caucho a otra que también haya sido frotada contra la piel, podremos observar que entre ellas hay una fuerza de repulsión (tienden a separarse).

Lo anterior implica que existen dos estados de electrificación. Para diferenciarlos, Franklin les dio el nombre de estados de carga positiva (+) y carga negativa (-). Así y de acuerdo con la convención adoptada por él, decimos que la carga eléctrica del vidrio es positiva y la carga eléctrica del caucho, negativa. Y también de acuerdo con esto decimos que: "las cargas iguales se repelen, y las cargas de signo contrario se atraen".

La carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad transferible de la materia, esto es, un cuerpo puede entregar carga a otro cuerpo. Además, existe un portador de carga, comúnmente denominado electrón y abreviado por la letra e. La carga de cualquier cuerpo será siempre un múltiplo entero de e.

Lo anterior se puede entender en analogía con lo que sucede con el sistema monetario de nuestro país, cuya unidad fundamental es el peso. Si quisiéramos comprar un chocolate, este no puede costar 731,5 pesos, pues no existe una moneda de 0,5 pesos. Cualquier cosa costará, entonces, un múltiplo entero de un peso. Ahora bien, en el caso del sistema monetario el panorama puede cambiar, pues si en algún momento las autoridades deciden fabricar monedas de 0,5 pesos, entonces algunos chocolates sí podrían costar 731,5 pesos. Sin embargo, en el caso de la naturaleza jamás encontraremos una carga que no sea un múltiplo entero de e, o bien que sea menor a este.

En caso de que un material posea carga total neta igual a cero, se dice que se encuentra en estado neutro. El estado neutro no se caracteriza por la ausencia de cargas, sino más bien por una igualdad entre el número de cargas positivas y negativas dentro del material; de ahí que se hable de carga total neta.

Cuando cargamos eléctricamente un cuerpo, no estamos creando cargas en el material. La carga eléctrica no se crea ni se destruye; solo se transfiere. Lo anterior es conocido como conservación de la carga.

En base a esto podemos entender lo que sucede en el experimento del electroscopio. Cuando frotamos la cuchara sobre la superficie frisada, estamos removiendo cargas desde un cuerpo al otro, lo cual se traduce en que la cuchara queda cargada positivamente, y el chaleco, negativamente.

Debemos precisar nuevamente que no hemos creado cargas sobre la cuchara ni sobre el chaleco; solo las hemos reordenado; es decir, hemos cambiado el lugar donde estas se ubican. Ahora bien, si la cuchara queda cargada positivamente, ¿por qué cuando la acercamos al electroscopio las láminas de aluminio dentro de este se separan?

La ley de Coulomb

Ya en el año 1785 era conocida la forma como interactuaban las partículas cargadas. Esto fue propuesto por el físico e ingeniero francés Charles Augustin de Coulomb, en cuyo honor fue bautizada la unidad de carga eléctrica en el sistema MKS: el Culombio (C).

La ley de Coulomb establece que la fuerza entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional a la carga de ambos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos; y además, la fuerza va en la dirección de una línea recta imaginaria que une ambos cuerpos. Cuando la fuerza entre dos cuerpos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, se dice también que decrece con el cuadrado de la distancia que los separa. 

Así, si la distancia es d,el cuadrado de la distancia es d x d, y si d = 2, entonces d x d = 2 x 2 = 4.

Esto quiere decir que si tenemos dos cuerpos con carga +1, separados por una distancia dada, estos en principio se repelerán (cargas del mismo signo). Si duplicamos la distancia de separación, la fuerza de repulsión será cuatro veces menor; de la misma forma, si triplicamos la distancia de separación, la fuerza de repulsión será 9 veces menor.

La interacción entre partículas cargadas queda de manifiesto en el experimento del hilito de agua. Así, dado que el agua viene en estado neutro, cuando se acerca la cuchara cargada al hilito del agua, las cargas dentro del líquido se reordenan formando un dipolo -objeto que tiene dos polos eléctricos, uno positivo y otro negativo-, pues las cargas positivas en el agua se ven atraídas por las cargas negativas de la cuchara, mientras las cargas negativas del agua son repelidas por las cargas negativas de la cuchara. Lo anterior se traduce en que el hilo de agua se curva en el sentido de la cuchara, producto de la atracción entre las cargas negativas de la cuchara y el polo positivo del agua. Esta interacción se describe mediante la ley de Coulomb. De hecho, el efecto de curvar el agua es más notorio mientras más cerca se encuentre la cuchara de esta. A partir de este experimento, ¿podemos entender más fácilmente lo que sucede con las láminas de aluminio en el experimento del electroscopio?

Concepto de campo eléctrico

Pues bien, ya sabemos que es posible representar las fuerzas por medio de flechas que van en la dirección de la fuerza aplicada, y que el largo de la flecha entrega una idea de la magnitud de la fuerza. Así por ejemplo, la flecha que representa nuestro peso (interacción gravitacional con el planeta Tierra) apunta hacia el suelo y siempre perpendicular a éste. Por otra parte si dibujamos la flecha del peso de un auto, ésta será mucho más larga que la flecha de un hombre.

Supongamos que tenemos una partícula cargada eléctricamente, a la que llamaremos partícula A, y que está situada en algún lugar del espacio. En base a nuestro conocimiento sobre la interacción eléctrica, ¿seremos capaces de dibujar la fuerza que sentirá otra partícula cargada (llamada partícula B o carga de prueba), situada en otro lugar del espacio? La respuesta es sí. Pues la ley de Coulomb nos dice que tal fuerza será una flecha que se encontrará en dirección de la línea imaginaria que une a la carga de prueba y la partícula A, además será repulsiva o atractiva dependiendo de cual sea el signo de las cargas A y B.

Si ponemos a la carga de prueba en otro lugar del espacio, al igual que en el caso anterior, también podemos saber cómo es la fuerza que siente B producto de su interacción con la partícula A. Ampliando nuestro razonamiento, nos damos cuenta de que podemos saber exactamente cómo es la fuerza que siente la partícula B como producto de su interacción con la partícula A, pues en cada punto del espacio podemos dibujar una flecha asociada a dicha interacción.

La imagen de este conjunto de flechas situadas en cada punto del espacio nos da una representación de la interacción eléctrica generada por la partícula A. Esta imagen es lo que se conoce en física como campo eléctrico.

Los campos son una forma de representar la fuerza asociada a una interacción determinada. Asimismo, a cualquier interacción le podemos asociar un campo. De esta forma, existe el campo gravitacional generado por una partícula u objeto que tiene masa; o el campo eléctrico, el cual sabemos que es generado por partículas u objetos que tienen carga eléctrica.

Para efectos prácticos, en algunas ocasiones es mucho más útil poner nuestra atención en la interacción que afecta a tal o cual objeto más que en el ente que genera dicha interacción. Es por esta razón que el concepto de campo es muy útil para nosotros. Conociendo el campo en un punto, podremos saber exactamente cuál es el valor y la dirección de la fuerza que afectará a una masa o a una carga eléctrica en tal punto, y esto es completamente independiente de si el campo es producido por un conjunto de partículas o distribución de carga o masa (ver glosario), o bien por una partícula que posea carga o masa.

Por otro lado, en situaciones prácticas se cuenta generalmente con distribuciones de carga o masa más que con partículas individuales que posean carga o masa. De hecho, cualquier objeto que tengamos a nuestro alrededor, por ejemplo, un tazón, una revista, un espejo, etc., corresponderá a una aglomeración de partículas que tienen masa, y no a una partícula individual.

En nuestro mundo cotidiano jamás trabajamos con un átomo individual. Cualquier elemento, por pequeño que sea, contendrá millones y millones de átomos o moléculas. Del mismo modo, es muy difícil trabajar con cargas individuales o electrones individuales; por lo general, tendremos presente a un grupo de millones de ellas. Por esto es mucho más fácil medir experimentalmente el campo en un punto que intentar conocer cuál es la distribución de carga o masa que lo genera. Por ejemplo, si sabemos que existe un campo eléctrico en algún lugar del espacio, basta que pongamos un pequeño cuerpo que pueda interactuar eléctricamente con él, y midamos el valor de la fuerza y la dirección de esta para obtener el campo eléctrico en tal punto. ¿Cómo podríamos medir el campo gravitacional en un punto, por ejemplo, al lado de nuestra cama?