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?
