En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Qué es la carga eléctrica y cómo se cargan los objetos?
Frota un globo en tu cabello y se pegará a la pared. Camina sobre una alfombra y la perilla de una puerta te dará un toque. Al final de esta lección, deberías poder explicar de dónde viene la carga, describir cómo se cargan los objetos y usar q = ne para relacionar la carga con un número de electrones.
El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
Dentro de un átomo
- Protones (+) en el núcleo
- Los neutrones no tienen carga
- Electrones (−) en órbita afuera
- Neutro: igual cantidad de + y −
En el modelo de Bohr, un átomo tiene un núcleo diminuto en el centro, formado por protones y neutrones, con electrones que se mueven en órbitas a su alrededor. Los protones tienen carga positiva, los electrones tienen carga negativa y los neutrones no tienen carga. Este átomo de litio tiene 3 protones y 3 electrones. Las cargas positivas y negativas se equilibran, así que el átomo es neutro.
Objetos neutros y cargados
- Neutro: igual cantidad de + y −
- Electrones de más: negativo
- Electrones de menos: positivo
Un objeto es neutro cuando tiene el mismo número de protones y de electrones. Si gana electrones adicionales, tiene más carga negativa que positiva, así que está cargado negativamente. Si pierde electrones, tiene más carga positiva que negativa, así que está cargado positivamente. Los protones están fijos en el núcleo, así que cargar un objeto siempre significa mover electrones.
Dos tipos de carga
- Las cargas iguales se repelen
- Las cargas opuestas se atraen
- Evidencia: algunos pares se empujan y otros se jalan
Dos cargas positivas se empujan una a la otra, y lo mismo pasa con dos cargas negativas: las cargas iguales se repelen. Una carga positiva y una negativa se jalan una hacia la otra: las cargas opuestas se atraen. Esta es la evidencia de que existen dos tipos de carga. Dos globos frotados en el cabello se separan, pero un globo y el cabello con el que se frotó se jalan. Si solo hubiera un tipo de carga, todos los pares actuarían de la misma manera.
Carga por fricción
- Al frotar, se mueven electrones
- Un objeto gana electrones
- El otro pierde el mismo número
- La carga total se mantiene igual
Cuando frotas un globo de hule con lana, los electrones se desprenden de la lana y pasan al globo. El globo queda con electrones de más, así que es negativo. A la lana le faltan exactamente esos electrones, así que es positiva en la misma cantidad. No se crea ni se destruye carga. Solo pasa de un objeto al otro. Esto se llama conservación de la carga.
Conducción e inducción
- Conducción: se tocan y comparten carga
- Inducción: se acerca la carga, sin tocar
- La carga cercana aleja a los electrones
En la conducción, un objeto cargado toca a un conductor neutro y parte de su carga pasa a él. El conductor queda con el mismo signo de carga. En la inducción, el objeto cargado solo se acerca. Su carga empuja o jala a los electrones dentro del conductor, así que un lado se vuelve positivo y el otro negativo. Si el lado lejano se conecta a tierra por un momento, los electrones pueden salir, y el conductor conserva una carga opuesta a la de la varilla, sin haber sido tocado nunca.
La carga está cuantizada
q = ne
- q = carga, en coulombs (C)
- n = número de electrones de más o de menos
- e = carga elemental, 1.6 × 10−19 C
La carga se mide en coulombs (C). Un objeto solo puede ganar o perder electrones completos, nunca medio electrón, así que la carga siempre viene en múltiplos de la carga elemental e. Decimos que la carga está cuantizada. Como e es tan pequeña, incluso una descarga pequeña de electricidad estática involucra miles de millones de electrones.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Conteo de la carga
Un globo frotado en tu cabello adquiere 5.0 × 1012 electrones adicionales. ¿Cuál es la carga del globo?
Mostrar la solución
- Datos: n = 5.0 × 1012 electrones, e = 1.6 × 10−19 C
- Ecuación: q = ne
- Sustituye: q = (5.0 × 1012)(1.6 × 10−19 C)
- Multiplica: 5.0 × 1.6 = 8.0, y 1012 × 10−19 = 10−7
- Respuesta: q = −8.0 × 10−7 C. Es negativa porque el globo ganó electrones.
Ejemplo 2: Conteo de electrones
Una esfera de metal tiene una carga de +3.2 × 10−9 C. ¿Cuántos electrones perdió?
Mostrar la solución
- Datos: q = 3.2 × 10−9 C, e = 1.6 × 10−19 C
- Ecuación: q = ne, así que n = q/e
- Sustituye: n = (3.2 × 10−9 C) / (1.6 × 10−19 C). Los coulombs se cancelan.
- Divide: 3.2 ÷ 1.6 = 2.0, y 10−9 ÷ 10−19 = 1010
- Respuesta: n = 2.0 × 1010 electrones perdidos. La esfera es positiva, así que perdió electrones.
Ejemplo 3: Esferas que se tocan
Dos esferas de metal idénticas se tocan y luego se separan. La esfera A comienza con +6.0 × 10−9 C y la esfera B con −2.0 × 10−9 C. ¿Cuál es la carga de cada esfera después?
Mostrar la solución
- Carga total: qtotal = (+6.0 × 10−9 C) + (−2.0 × 10−9 C) = +4.0 × 10−9 C
- Conservación: al tocarse no se crea ni se destruye carga, así que el total sigue siendo +4.0 × 10−9 C después
- Reparto por igual: las esferas idénticas dividen el total en partes iguales: (+4.0 × 10−9 C) ÷ 2
- Respuesta: cada esfera tiene +2.0 × 10−9 C
Comprobación: +2.0 × 10−9 C + 2.0 × 10−9 C = +4.0 × 10−9 C, el mismo total con el que empezamos.
Práctica
Decide si los objetos son neutros, positivos o negativos, explica la carga por fricción, por conducción y por inducción, y usa q = ne para relacionar la carga con un número de electrones. Primero inténtalo por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas. Los PDF están en inglés.
- Hoja de práctica de Carga eléctrica (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas de la hoja de práctica de Carga eléctrica (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Protones +, electrones −, neutro = igual cantidad
- Las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen
- Cargar es mover electrones; la carga se conserva
- q = ne, con e = 1.6 × 10−19 C
De vuelta a la pregunta esencial: la carga eléctrica es una propiedad de los protones (+) y de los electrones (−). Los objetos se cargan cuando los electrones pasan de un objeto a otro por fricción, conducción o inducción, y la carga total siempre se conserva. La carga viene en paquetes de números enteros de e = 1.6 × 10−19 C. En la siguiente lección, la ley de Coulomb te mostrará con qué fuerza se empujan o se jalan dos cargas.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):
- HS-PS2-4: Usar representaciones matemáticas de la ley de la gravitación de Newton y de la ley de Coulomb para describir y predecir las fuerzas gravitacionales y electrostáticas entre objetos.
- HS-PS3-5: Desarrollar y usar un modelo de dos objetos que interactúan mediante campos eléctricos o magnéticos para ilustrar las fuerzas entre los objetos y los cambios en la energía de los objetos debidos a la interacción.
Ideas disciplinarias básicas: PS2.B Tipos de interacciones