Fisica General 3

Lic. Dinibel Pérez Bello

Carga Eléctrica
Clase #1 - 15.04.2024

Fuerzas e interacciones
En cursos anteriores se ha estudiado la cinemática y dinámica de partículas y
cuerpos rígidos en donde las leyes de Newton determinan las trayectorias y otros
aspectos del movimiento cuando se conocen las fuerzas con las que interaccionan
entre si los diferentes objetos.
Para cuerpos macroscópicos, estas fuerzas pueden ser por ejemplo fuerzas de
contacto como el roce, sea este estático o dinámico, las normales y las fuerzas
impulsivas o de impacto.
Pueden ser también fuerzas gravitacionales, las cuales por observación
sistemática se comprueba que existen entre cualquier par de partículas con masa y
que satisfacen la Ley de Gravitación Universal de Newton.
En este curso vamos a ver otro tipo de fuerzas, las fuerzas electromagnéticas,
mucho más intensas que las gravitacionales y que aparecen en la interacción entre
partículas que además de masa poseen otro atributo intrínseco como lo es la
carga eléctrica.

CARGA ELECTRICA
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de una sola
interacción, la electromagnética, la cual constituye una de las interacciones
fundamentales de la naturaleza.
En esta unidad, se introduce el concepto de carga eléctrica, una propiedad
fundamental de la materia, y se describe en sus propiedades básicas.
La existencia de la carga eléctrica se mani esta en que el cuerpo cargado
interacciona con otros cuerpos también cargados. Hay dos tipos de cargas
eléctricas llamadas convencionalmente, positivas y negativas. Las cargas
semejantes repelen y las cargas diferentes se atraen.
La carga eléctrica admite una de nición intuitiva, basada en una serie de
propiedades simples observadas experimentalmente. Estas propiedades solo

CARGA ELÉCTRICA 1
fi
fi
 sugieren una idea difusa sobre la naturaleza de la carga. Las propiedades
observadas mas importantes son las siguientes:
•
La carga eléctrica se encuentra en la naturaleza inseparablemente
vinculadas a un portador material (con masa y volumen no nulos).
•
Si un objeto material no posee carga eléctrica, no podrá esperarse de él
ninguna interacción eléctrica.
•
Las cargas eléctricas interactúan entre sí manifestándose mediante efectos
dinámicos (atracciones y repulsiones) que permiten distinguir dos clases de
carga.
Así como la masa es aquella propiedad responsable de la interacción
gravitacional entre dos cuerpos, la carga eléctrica es otro tributo fundamental de
la materia que permite a los cuerpos tener la capacidad especí ca de interactuar
eléctricamente.
La intensidad de la interacción eléctrica de una partícula está determinada
por su carga eléctrica. Existen dos tipos de carga eléctrica las cuales se denominan
arbitrariamente positiva y negativa.
Sólo falta de nir una unidad para darle entidad a la carga eléctrica. En el
sistema internacional se adopta como unidad el Coulomb, simbolizado con la
letra C. éste se de ne en términos de la unidad de corriente eléctrica, el ampere
(A), como la carga qué pasa por un punto particular en un segundo cuando la
corriente es de ampere.
coulomb
1ampere = 1
segundo

CONSERVACION DE LA CARGA
Cuando los objetos están en intimo contacto, como ocurre al frotarlos entre
si, los electrones se trans eren de un objeto al otro. Un objeto queda con un
numero en exceso de electrones y se carga, por tanto, negativamente y el otro
queda con un de cit del electrones y su carga es positiva. En este proceso la carga
no se crea, si no que simplemente se trans ere. La carga neta de los dos objetos
considerada globalmente no cambia. Es decir, la carga se conserva.
La ley de conservación de la carga es una ley fundamental de la naturaleza.
En ciertas interacciones entre partículas elementales puede ocurrir que los
electrones se creen o se aniquilen. Sin embargo, en todos estos procesos se
producen o destruyen cantidades iguales de cargas negativas y positivas, de
manera que la carga del universo no varía. Por ejemplo, siempre que se crea un

CARGA ELÉCTRICA 2
fi
1
fi
fi
fi
fi
fi
 electrón de carga -e, se crea también una partícula llamada positrón de carga e
(este proceso se llama producción de pares).
Como se menciono anteriormente, el Coulomb (C) es la cantidad de carga
que uye a través del área transversal de un cable conductor en un segundo
cuando la intensidad de corriente en el mismo es de A. La unidad fundamental de
carga eléctrica es está relacionada con el C por:
e = 1,60x10−19C

CONDUCTORES Y AISLANTES
Los conductores son materiales en los cuales las cargas pueden moverse con
relativa facilidad. Ejemplo: los metales, el agua impura, el cuerpo humano. En un
metal los átomos contienen uno o más electrones exteriores que están débilmente
ligados al núcleo y pueden moverse con libertad, de manera semejante a como lo
hacen las moléculas en un gas. Esta movilidad de los electrones también es
responsable de la alta conductividad térmica de los metales.
En los aislantes, también llamados dielécticos, los electrones están
rmemente unidos a sus respectivos átomos y no permiten el transporte de carga
con facilidad. Algunos ejemplos son el vidrio, el caucho, la madera, la porcelana y
el agua químicamente pura.
Los semiconductores como el germanio y el silicio, son intermedios entre los
conductores y los aislantes en cuanto a la habilidad para conducir la corriente
eléctrica. Estos materiales son los que se emplean en la fabricación de diversos
dispositivos electrónicos, como diodos, recti cadores, transistores, Leds, chips de
computadoras, etc.

Finalmente, los superconductores son materiales que, en un cierto dominio

de temperaturas, no ofrecen resistencia alguna en movimiento de cargas a través
de ellos. Los alambres hechos de materiales superconductores son los que se usan
en la construcción de los electro imanes de los aparatos resonancia magnética
nuclear que permiten obtener imágenes para diagnósticos en medicina.

La conservación de la carga se ilustra mediante un método simple: cargar un

conductor a través de carga por inducción, como se muestra en la gura . .

CARGA ELÉCTRICA 3
fi
fl
fi
1
fi
1
1
+
 Figura . - Carga por Inducción

(a) Los conductores neutros en contacto adquieren carga opuesta cuando una varilla cargada atrae electrones
hacia la esfera izquierda. (b) Si las esferas se separan antes de retirar la varilla, conservarán sus cargas iguales y
opuestas. (c) Cuando se retira la varilla y las esferas están muy separadas, la distribución de carga en cada
esfera se aproxima a la uniformidad.

Dos esferas metálicas descargadas se tocan. Cuando una varilla cargada

positivamente ( gura . a) se acerca a una de las esferas, los electrones de
conducción uyen de una esfera a la otra, hacia la varilla cargada positivamente.
La varilla cargada positivamente en la gura . a atrae los electrones cargados
negativamente y la esfera más cercana a la varilla adquiere electrones de la esfera
más alejada. Esto deja a la esfera cercana a la varilla con una carga neta negativa
y la esfera lejana con una carga neta positiva igual.
Un conductor que tiene cargas iguales y opuestas separadas se dice que está
polarizado. Si las esferas se separan antes de retirar la varilla, quedarán con
cantidades iguales de cargas opuestas (Figura . b). Se obtendría un resultado
similar con una varilla cargada negativamente, que impulsaría electrones desde la
esfera cercana a la esfera lejana.
Para muchos propósitos, la Tierra misma puede modelarse como un
conductor in nitamente grande que tiene un suministro in nito de partículas
cargadas. Si un conductor está conectado eléctricamente a tierra, se dice que está
puesto a tierra. La conexión a tierra de una esfera metálica se indica
esquemáticamente en la gura . b mediante un cable conector que termina en
líneas horizontales paralelas.

La gura . demuestra cómo podemos inducir una carga en un solo

conductor trans riendo carga desde la Tierra a través de un cable de tierra y luego
rompiendo la conexión a tierra. (En la práctica, una persona parada en el suelo y
tocando la esfera con la mano proporciona una base adecuada para
demostraciones electrostáticas como la que se describe aquí.)

CARGA ELÉCTRICA 4
fi
1
1
1
2
fl
fi
fi
fi
1
1
fi
1
2
fi
1
1
1
1
fi
 Figura . - Inducción mediante puesta a tierra.

(a) La carga libre en la única esfera conductora neutra está polarizada por la varilla cargada positivamente, que atrae
cargas negativas en la esfera. (b) Cuando el conductor se pone a tierra conectándolo con un alambre a un conductor muy
grande, como la Tierra, los electrones de la tierra neutralizan la carga positiva en la cara opuesta. Entonces el conductor
queda cargado negativamente. (c) La carga negativa permanece si la conexión a tierra se rompe antes de retirar la varilla.
(d) Después de retirar la varilla, la esfera tiene una carga negativa uniforme.

EJERCICIOS PRACTICOS
PR- ¿Cuántos Coulombs hay en un vaso de agua?
Suponga una situación hipotética en que se pudiesen separar todos los
electrones de los núcleos de hidrogeno y de oxigeno que contiene un vaso lleno de
agua de capacidad cc. ¿Cual es la carga total de los electrones?.

Solución

El agua tiene una masa molecular de g/mol, por lo tanto en g de agua

habrá
g
250g ÷ 18 = 13.9moles
mol
Tomando en cuenta que mol de cualquier sustancia contiene un numero de
moléculas igual al numero de Avogadro, NA = 6,02x10 23, el numero de moléculas
de agua en el vaso será:

( )
moleculas
13,9moles 6,02x1023 = 8,36x1024moleculas
mol
A su vez, cada molécula H2O contiene ( ) electrones. Por tanto, el
numero total de electrones es:
Ne = 10 × 8,36x1024 = 8,36x1025

Y la carga total de todos los electrones será

Qe = eNe = (−1,6x10−19C )(8,36x1025) = − 1,34x107C

CARGA ELÉCTRICA 5
1
1
2
2
5
0
1
1
8
2
+
8
=
1
0
2
5
0
 De manera similar, como los átomos son eléctricamente neutros, el numero de
protones es igual al de electrones y la carga total de todos los protones es:
Qp = eNp = (+1,6x10−19C )(8,36x1025) = + 1,34x107C

PR- Una moneda de cobre

Una moneda de cobre tiene una masa de , g. El numero atomico del cobre
es Z y su masa atómica es de , g/mol. ¿Cual es la carga total de los
electrones en la moneda?

Solución

La carga total Q es el numero de electrones, multiplicado por la carga

Q = Ne(−e)
El numero de de electrones es Z multiplicado por el numero de atomos de
cobre
Ne = Z Nat
Determinemos en primer lugar el numero de átomos en , g de cobre. Como
un mol de cobre contiene un numero de átomos igual al numero de Avogadro y su
masa es de , g, el numero de átomos en , g de cobre es:
6,02x1023atomos/mol
Nat = (3,1g) = 2,84x1022atomos
63,5g/mol
Ne = Z Nat = (29electrones /atomos)(2,94x1022 atomos
Ne = 8,53x1023electrones

Usamos ese valor de Ne para encontrar la carga total

Q = Ne × (−e)
= (8,53 × 1023electrones)(−1,60 × 10−19C/electron)
= − 1,37 × 105C

CARGA ELÉCTRICA 6
2
=
2
9
6
3
5
6
3
5
3
3
1
0
1
3
1