La naturaleza eléctrica de la materia

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Desde la Antigua Grecia se sabe que algunos materiales pueden electrificarse al ponerse en contacto con otros. En el siglo VI a.C., Tales de Mileto comprobó que al frotar una pieza de ámbar con una lana ésta podía atraer objetos livianos, como hilos o plumas. Fenómenos similares fueron observados a lo largo de los siglos, pero su estudio sistemático no comenzó hasta el siglo XVI. En el año 1600, William Gilbert publicó De Magnete, una obra en la que se refiere por primera vez a este fenómeno con el nombre de electricidad (electricitas, en latín), que deriva de la palabra griega para el ámbar, elektron (electrum, en latín). Este científico observó que otros muchos materiales se comportaban como el ámbar, mientras que otros no ejercían atracción alguna, y en base a este comportamiento los clasificó en eléctricos y aneléctricos 

La electrización de un cuerpo por fricción o rozamiento se denomina efecto triboeléctrico (triboelectricidad). 

En el siglo XVII, Otto von Guericke ideó el primer generador electrostático. Esta máquina consistía en una bola de azufre, atravesada por un eje metálico y anclada a una estructura de madera, que hacía girar con una mano y frotaba con la otra. La esfera podía mantener una gran cantidad de carga y se la podía descargar acercándole el extremo de un conductor. Con la bola de azufre cargada, Guericke observó una variedad de manifestaciones que hoy asociamos a la electricidad estática, tales como chispas, chisporroteos y atracción o repulsión de objetos livianos. Gracias a ella comprobó que la atracción que ejerce un cuerpo electrizado se convierte en repulsión una vez que han entrado en contacto.

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Generador electrostático de Otto von Guericke (Fuente: Wikipedia)

Posteriormente, Charles du Fay, en el siglo XVIII, describió dos tipos de electricidad, ya que observó que cuando se acercaban dos cuerpos de vidrio frotados con seda se repelían, igual que cuando se acercaban dos piezas de ámbar frotadas con lana. Sin embargo, el vidrio electrizado y el ámbar electrizado se atraían entre sí. Esto llevaba a pensar que existía un tipo de electricidad positiva (la del vidrio, o electricidad vítrea) y otra negativa (la del ámbar o el azufre, o electricidad resinosa). Benjamin Franklin entendió que la electricidad era una especie de fluido que poseían los cuerpos y que podía pasar de uno a otro. Si los cuerpos poseían iguales cantidades de electricidad positiva y negativa se conseguía la neutralidad.

Para entender cómo se produce ese flujo de electricidad de un cuerpo a otro tuvieron que pasar aún dos apasionantes siglos, durante los cuáles se comprendieron los fenómenos eléctricos y su relación con los magnéticos, y se descubrieron las características más íntimas de la estructura atómica.

Hoy sabemos que existen tres tipos de partículas subatómicas: el electrón, el protón y el neutrón. En el núcleo atómico se encuentran los protones, con carga positiva, y los neutrones, que no tienen carga eléctrica. En torno al núcleo se encuentra una nube de electrones, que poseen carga negativa. Los átomos en su estado natural poseen el mismo número de protones que de electrones, es decir, son eléctricamente neutros, ya que la carga del protón es igual en módulo a la carga del electrón. Esta cantidad se conoce como unidad fundamental de carga:

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Los electrones más alejados del núcleo están menos atraídos y tienen mayor movilidad, por lo que son susceptibles de escapar de la propia estructura atómica e incorporarse a las capas más externas de otro átomo. Así, el átomo que pierde electrones tendrá una carga neta positiva, mientras que el átomo que los adquiere manifestará una carga neta negativa.

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Texto publicado en la revista Scientific American a finales de 1899.

La carga es una magnitud aditiva, es decir, la carga eléctrica total de un cuerpo es la suma de las cargas eléctricas de las partículas que lo constituyen, y siempre será un múltiplo entero de la unidad fundamental de carga, por lo que se dice que la carga está cuantizada. Eso significa que la carga sólo puede tomar ciertos valores discretos, siempre múltiplos de e: cualquier cuerpo en la naturaleza tiene una carga que es N veces el valor de e.

Las cargas que cede un cuerpo son aceptadas por otro, es decir, la carga se conserva. Esto se conoce como principio de conservación de la carga.

Cuando dos cuerpos se frotan entre sí, se produce una transferencia de electrones desde uno, que queda cargado positivamente, hacia otro, que adquiere carga negativa. Esto es lo que ocurría al frotar un vidrio con un paño de seda (la seda transfiere electrones al vidrio) o el ámbar con la lana (el ámbar cede electrones a la lana). También vimos que dos vidrios electrizados, o dos piezas de ámbar electrizadas, se repelían, mientras que el vidrio y el ámbar, previamente electrizados, se atraían. La conclusión evidente es que los cuerpos con cargas opuestas se atraen y aquellos que tienen cargas del mismo signo se repelen. La magnitud de esta atracción o repulsión viene dada por la ley de Coulomb.

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