Carga eléctrica y cuerpo electrizado
Las observaciones sobre la atracción eléctrica remontan a la Grecia antigua. El filosofo griego Thales de Mileto (640-546 a.n.e.) observó que cuando se frotaba el ámbar atraía objetos pequeños tales como plumas o pajitas, similar a lo que observamos cuando frotamos el lapicero en la prenda de vestir y lo acercamos a pequeños pedazos de papel (Esta atracción se confundió frecuentemente con la atracción magnética del hierro por la piedra imán). Cuando el físico inglés William Gilbert (1540-1603) estudió sistemáticamente los efectos eléctricos y magnéticos demostró que muchas sustancias distintas al ámbar adquieren una propiedad atractiva cuando se frota. Fue uno de los primeros que entendió claramente la diferencia entre esta atracción eléctrica (La palabra eléctrico procede del griego elektron, que significa ámbar) y la magnética.
Alrededor de 1729 el inglés Sthephen Gray descubrió que la propiedad de atracción y repulsión eléctrica puede transferirse de un cuerpo a otro si ambos se conectan mediante determinadas sustancias, en especial metales. Este descubrimiento fue de gran importancia, puesto que previamente los experimentadores solo podían electrizar un objeto frotándolo. El descubrimiento de la conducción eléctrica implicaba también que la electricidad tiene una existencia por si misma y no es solamente una propiedad impuesta al cuerpo por el frotamiento.
Posteriores estudios acerca de la estructura de la sustancia determinaron que su composición es por moléculas y éstas a su vez por átomos unidos entre sí por fuerzas eléctricas. Al desarrollarse la teoría atómica se logra establecer que está compuesto por “partículas elementales” llamadas protones, neutrones (que forman el núcleo atómico) y electrones (alrededor del núcleo conformando la nube electrónica). Estas partículas elementales están unidas por fuerzas entre ellas, de carácter eléctrico entre los electrones y protones y de carácter nuclear en los nucleones. A esta propiedad que tienen los electrones y protones de interactuar se le llama carga eléctrica.
La carga eléctrica es una propiedad inherente de las partículas elementales; electrones y protones, por la cual se dan las interacciones entre ellos, átomos, iones, moléculas y partículas electrizadas.
- El neutrón es una partícula donde no se manifiesta la propiedad eléctrica decimos por ello que es eléctricamente neutro.
Esquema simple del átomo de hidrógeno (modelo clásico)
El electrón orbita alrededor del núcleo debido a la atracción entre ellos.
- El cuerpo después de ser frotado atrae cuerpos ligeros, decimos que está electrizado o se le ha comunicado cierta carga eléctrica. Pueden electrizarse cuerpos hechos de diferentes materiales. Frotándolos con lana, es fácil electrizar varillas de caucho, de azufre, de plástico. Una varilla de vidrio puede electrizarse si lo frotamos con una hoja de papel o con un paño de seda.
Luego de frotar el paño de seda con la varilla de vidrio, ambos quedan electrizados.
- Todo cuerpo, en estado natural, es generalmente eléctricamente neutro, esto debido a que contiene igual cantidad de electrones y protones, de modo que no ejercen atracciones eléctricas al exterior (la carga eléctrica no se exterioriza). Pero, si de alguna manera hacemos que el cuerpo gane o pierda electrones, (originando en él un desequilibrio electrónico) la propiedad eléctrica se exterioriza, o sea el cuerpo se electriza.
NOTA: Un cuerpo se encuentra electrizado cuando contiene diferente cantidad de electrones y protones. En el caso contrario se dice que está eléctricamente neutro.
- Por los efectos opuestos que se dan entre el electrón y el protón se le atribuyo al electrón la carga negativa y
al protón carga positiva. Por ello cuando un cuerpo tiene exceso de electrones
estará electrizado negativamente y
en el caso que tenga defecto de electrones 
positivamente.
Cantidad de carga eléctrica “Q”
Sabemos que la inercia es una propiedad de la materia y la cuantificamos mediante la masa, así mismo al ser la carga eléctrica una propiedad de la materia, también la podemos cuantificar (medir) mediante la magnitud escalar denominada cantidad de carga eléctrica “Q” que nos indica a escala macroscópica, en que grado se ha electrizado el cuerpo. Su unidad en el S.I. es el Coulomb “C”.
Equivalencias:
| 1 milicoulomb = |  |
| 1 microcoulomb = |  |
| 1 nanocoulomb = |  |
Observaciones:
- de la experiencia se sabe que la cantidad de carga “Q” de las partículas son invariantes cuando se trasladan a rapidez próxima a la rapidez de la Luz.
- La menor cantidad de carga (cantidad de carga fundamental) estable que existe en la naturaleza es la
del electrón, experimentos han confirmado que:
, además:
.
- En el experimento de la gota de aceite, llevado a cabo por el físico norteamericano Robert A. Millikan se demostró que la cantidad de carga de los cuerpos (gotas) son siempre múltiplos enteros de la cantidad de carga del electrón.
n = cantidad de electrones en exceso o defecto en el cuerpo.
Formas de electrizar un cuerpo
Existen tres formas de electrizar un cuerpo:
- Por contacto. La electrización de los cuerpos se produce al hacer contacto entre un cuerpo electrizado con otro neutro y, después separarlos, sucede que uno pierde electrones y el otro lo gana dependiendo ello de la mayor o menor facilidad que cada uno tenga para perderlos.
- Primera forma:
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“La cantidad de carga 
y
depende de los radios de las esferas”
- Segunda forma:
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- El frotamiento solo sirve para aumentar el área de contacto.
- Por Inducción. Consiste en acercar un cuerpo electrizado (inductor) a dos cuerpos metálicos (conductores eléctricos) en contacto.
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Separando los cuerpos A y B quedan electrizados
- Por Radiación. Consiste en iluminar un cuerpo metálico con luz de alta frecuencia causando el desprendimiento de electrones (efecto fotoeléctrico).
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Finalmente: |
NOTA: En todo proceso de transferencia de electrones entre los cuerpos, la cantidad de carga del sistema
se conserva, es decir, la suma de cantidades de carga al inicio y al final son iguales.
“Ley de conservación de la cantidad de carga”
Electroscopio
Es un dispositivo que permite verificar si un cuerpo está electrizado o no. Un electroscopio muy simple puede formarse por una pequeña esfera de tecnopor (no electrizada) suspendida por un hilo, a este electroscopio se le suele llamar “péndulo eléctrico”.
En el gráfico se muestra que, al acercar un cuerpo electrizado (positivo o negativo) a la esfera, ésta es atraída; por otro lado cuando se tiene cualquier cuerpo electrizado, éste atrae a esferas sin saber si esta electrizado positivamente o negativamente. En caso que se quiera saber como está electrizado el cuerpo es necesario electrizar a la esfera (por ejemplo negativamente), si el cuerpo repele a la esfera éste estará electrizado negativamente, en caso contrario, si lo atrae estaría electrizado positivamente.
Los electroscopios de hoy en día, los hay de varios modelos, pero uno de los mas difundidos es el “electroscopio de laminillas”. Dicho instrumento está conformado de una barra metálica en cuyos extremos se le ha soldado una esfera metálica y dos tiras metálicas delgadas y ligeras (laminillas), tal como se muestra.
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| Si la barra que se acerca, está electrizada, las laminillas se separan (esto se da por inducción). | |
Leyes de la electrostática
Ley cualitativa
En los experimentos realizados entre partículas electrizadas se deduce que las interacciones entre ellos pueden ser atractiva o repulsiva, llegándose a una conclusión muy importante que es: dos partículas electrizadas con el mismo signo (los dos positivos o los dos negativos), se repelen, dos partículas electrizadas con diferentes signos (uno positivo y el otro negativo) se atraen.
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| “La fuerza con la cual se atraen o rechazan dos partículas electrizadas recibe el nombre de Fuerza Eléctrica” | |
Ley Cuantitativa (Ley de Coulomb)
El hecho de que partículas electrizadas con igual signo se rechazan y con signos diferentes se atraen, fue estudiado cuantitativamente por el científico francés Charles Agustín Coulomb mediante una balanza de torsión muy sensible, llegando a la siguiente conclusión: “Dos partículas electrizadas en el vacío se ejercen mutuamente una fuerza atractiva o repulsiva (fuerza eléctrica) cuyo módulo es proporcional a los valores absolutos de sus cantidades de carga eléctrica e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.
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: valor absoluto de las cantidades de carga de las partículas. (Se mide en Coulomb "C").- d: distancia entre partículas se mide en metros “m”.
- K: constante eléctrica de coulomb, se mide en:
- Donde K en forma experimental se ha demostrado que para el vacío:
NOTA: El valor de la fuerza eléctrica se ve afectada si las partículas son llevadas
a un medio dieléctrico, donde: 
"
" es la permitividad eléctrica relativa del medio o constante dieléctrica. Se supone que el medio es ilimitado y
homogéneo, o sea, que sus propiedades son iguales en todo su volumen. Para el vacío “ ” se considera igual a la
unidad. Veamos algunas constantes dieléctricas.
| Medio | |
| Aire | 1 |
| Aceite | 4,6 |
| Vidrio (Pirex) | 5,6 |
| Agua (20°C) | 80 |
| Papel | 3,7 |
| Porcelana | 7 |
NOTA:
- Como vemos:
;entonces:
, además en cualquier situación si no se especifica el medio donde se da la interacción
eléctrica debemos considerar que se trata del aire o vacío. - La ley de Coulomb es válido para partículas electrizadas; no puede ser utilizado directamente en el caso de cuerpos de dimensiones considerables a menos que la distancia entre dichos cuerpos sea bastante grande en comparación a sus dimensiones.
Versión: 2.0 (Marzo, 2009)
