Cargas

N ESTE capítulo vamos a recopilar el conjunto de propiedades fundamentales de las cargas eléctricas. En su mayoría pueden ser conocidas de muchos lectores porque los fenómenos electromagnéticos tienen una historia venerable. Me gustaría recordar aquí los aspectos más interesantes del electromagnetismo. Para todos será agradable imaginar los grandes esfuerzos realizados por miles de pensadores con el solo objeto de descubrir y organizar las diferentes ideas sobre estos temas. Al recordar la formación, lenta, de estos conceptos nos maravillamos de la estructura tan elegante y simple con la cual hoy podemos entender tantas propiedades que en el pasado estaban disconexas y sin relación evidente. El mundo parecía el reino de la confusión, cuya única explicación era el caos. Mediante la labor continua y paciente de muchos científicos curiosos, de muchas mentes ingeniosas en busca de lo nuevo y de lo útil, se fueron descubriendo propiedades y aplicaciones, se encontraron relaciones y analogías. Se hicieron síntesis y generalizaciones.

Las cargas eléctricas son partículas que ejercen fuerzas atractivas y repulsivas entre ellas. Por ser partículas, tienen una masa que se opone a ser acelerada por fuerza alguna, y sufre la atracción gravitacional del centro de la Tierra, como todos los demás cuerpos sobre la superficie del mundo.

Se dividen en dos tipos diferentes: las cargas positivas y las cargas negativas. Una positiva y una negativa se atraen entre sí. Si se atraen, deben ser de distinta carga.

Las cargas negativas repelen a las cargas negativas. Las cargas positivas también se repelen entre sí.

Si encontramos una carga desconocida, para preguntarle su tipo de carga le acercamos una carga positiva. Si se aleja la carga desconocida de la carga positiva es porque se trata de una carga positiva; si la carga —antes desconocida— es atraída por la carga positiva sabremos en ese momento que es negativa.

Si una partícula no se aleja ni se acerca de una carga positiva, entonces no es una carga sino una partícula neutra.

Estoy suponiendo aquí que para alejarse o acercarse estas partículas están en libertad de moverse, no están sujetas por otra fuerza eléctrica o de otro tipo.

La fuerza eléctrica entre cargas se llama fuerza de Coulomb; es directamente proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Es decir, al aumentar una carga, 2, 3, 4, etc., veces en el mismo lugar, la fuerza aumenta 2, 3, 4, etc., veces. Al incrementar la distancia entre las cargas 2, 3, 4, etc. veces, la fuerza disminuye de tamaño a 1/4, 1/9, 1/16, etc. de su tamaño original, porque 4 es el cuadrado de 2, 9 es el cuadrado de 3, 16 es el cuadrado de 4, y así sucesivamente. Con ayuda de símbolos, si F representa la fuerza, q la carga, R la distancia y una A constante, entonces la relación entre la fuerza, la carga y la distancia, se representa por la ecuación

F = A X q/R2,

donde la X representa la operación de multiplicar y / la operación de dividir.

La constante A es proporcional a la otra carga diferente de q.

Se le llama campo eléctrico a la fuerza por unidad de carga que se sentiría al colocar en un punto a una carga. En cualquier punto de la vecindad de una carga hay un campo. Ese campo se convierte en una fuerza hasta que colocamos una carga. Mientras no hay una carga el campo no produce fuerza. En ausencia de carga ese campo sólo puede ser observado cuando produce efectos luminosos, como más adelante veremos.

Si unimos varias cargas pueden formarse partículas neutras a condición de tomar la misma cantidad de carga positiva que de carga negativa. Las partículas neutras tienen una compensación casi total de la fuerza eléctrica positiva con la negativa. Digo casi total porque las dos cargas no están situadas en el mismo lugar y la pequeña diferencia de localizaciones produce un efecto medible llamado dipolar porque reconoce dos centros diferentes.

Sabemos ahora que todas las sustancias están formadas por cargas, pero generalmente esas sustancias las observamos en forma neutra con un equilibrio de carga positiva y negativa.

La partícula más pequeña de una sustancia es una molécula. Y también las moléculas de una sustancia son iguales entre sí. Hay millones de sustancias diferentes y todas tienen moléculas diferentes, pero estos millones de moléculas están formadas por un poco más de sólo cien tipos diferentes de átomos de los elementos químicos. Las combinaciones de átomos en proporciones diferentes son las que producen la gran variedad de moléculas.

Cada átomo está formado por un núcleo pesado de carga positiva el cual se halla rodeado por una nube ligera de cargas negativas, los electrones. Todos los electrones tienen la misma carga y el mismo peso, todos parecen iguales entre sí. El núcleo de carga positiva de este átomo está formado de protones y neutrones. Los protones son cargas positivas, y los neutrones —su nombre lo dice— son partículas neutras. En un átomo hay el mismo número de protones y de electrones, y entonces es neutro.

El protón tiene la misma cantidad de carga que el electrón pero positiva. Por otra parte, los protones y neutrones son mucho más pesados que los electrones —más de mil ochocientas veces—, pero los pesos de un protón y de un neutrón son casi iguales entre sí.

Se observa aquí una aparente falta de simetría en la naturaleza. Electrones y protones con la misma carga pero con masas tan diferentes. La simetría se recupera cuando encontramos los positrones, electrones positivos con igual masa que el electrón. Asimismo se encuentran los negatones, protones negativos con igual masa que el protón. Pero ni aun esto recupera del todo la simetría del mundo, puesto que los protones y electrones, con sus masas tan diferentes, son los que dominan por su gran número todas las sustancias observadas. Los positrones y negatones son excepciones del Universo que contemplamos.

En un átomo la carga total se anula o neutraliza porque el número de electrones es igual al de protones.

¿Por qué todos los electrones tienen la misma carga? ¿Por qué los protones tienen el mismo valor de carga, con distinto signo? No hay una respuesta fácil a estas preguntas; formulamos tan sólo el hecho sin pretender aquí una respuesta. Nótese que aunque en valor absoluto las cargas de electrón y protón sean iguales, sus masas sin embargo son muy diferentes, casi dos mil veces. Mucho más fácil es contestar a la pregunta ¿cómo sabemos que las cargas tienen todas el mismo valor? En respuesta a lo anterior resulta interesante recordar las dos

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