miércoles, octubre 07, 2009

[Electricidad I] Carga eléctrica | El Tamiz

[Electricidad I] Carga eléctrica | El Tamiz

Como anunciamos hace unos días, hoy empezamos una mini-serie sobre electricidad, en la que trataremos de establecer unos conceptos básicos que nos permitan construir cosas más complejas en un segundo bloque, y que nos sirvan de referencia en otros artículos en general. A lo largo de esta primera aproximación a la electricidad, mi objetivo es doble; por un lado, responder conceptualmente a las preguntas más fundamentales acerca de los fenómenos eléctricos y, por otro, desterrar algunas de las nociones erróneas sobre electricidad que muchas veces tenemos en la cabeza. En este primer bloque, por lo tanto, nos interesan más los conceptos que las fórmulas, y habrá sólo las imprescindibles.

Aunque en este caso no sea tan útil como, supongo, lo será en otros, ésta es la “ficha” del bloque, para que sepas a qué atenerte cuando lo leas (esto parece la descripción de un paquete de software en Linux, pero bueno):

  • Nivel: Básico
  • Bloques en los que se basa: Ninguno
  • Bloques que se basan en él: Ninguno
  • Otras entradas de lectura previa recomendada: El neutrón, el protón

(Cuando haya bloques que se basen en éste iremos actualizando las categorías).

Ya sé que, a algunos, mucho de lo que diga os resultará conocido a lo largo del bloque en general, y especialmente en este artículo. Si es así, puede que siga siéndote útil, no tanto para entender, sino para explicar la electricidad. Mucho me temo que, a menudo, quienes la explicamos utilizamos ejemplos que confunden más que aclarar las cosas, y no hacemos el suficiente énfasis en aspectos importantes. Pero, si esto te resulta demasiado básico, siempre puedes esperar al siguiente bloque. Eso sí, si consigues terminar el bloque sin aprender absolutamente nada nuevo, me como el sombrero.

Dicho esto, empecemos a establecer nuestros cimientos.


Electricidad

¿Qué es la electricidad? La respuesta a esa pregunta es más difícil de lo que pudiera parecer en principio. En Física, desde luego, no existe ninguna magnitud con ese nombre, y no emplearemos esta palabra en el bloque para referirnos a nada concreto. En general, podríamos decir que la electricidad es un conjunto de fenómenos físicos en los que desempeña un papel fundamental la carga eléctrica pero eso probablemente haga que cualquier lector sagaz arquee la ceja, porque no está realmente definiendo nada. Tenemos que ir más allá, y hablar de qué es la carga eléctrica… y para eso tampoco hay una respuesta concreta y sencilla, aunque todos sepamos en uno y otro caso a qué nos estamos refiriendo.


Naturaleza de la carga eléctrica

En Física, el término carga se emplea para denotar varias cosas diferentes, pero casi todas ellas tienen varias cosas en común al nivel más fundamental: suele tratarse de una propiedad cuantizada de las partículas subatómicas, cumple ciertas leyes de conservación y existe algún tipo de simetría, está asociada a una fuerza fundamental de la Naturaleza y a un bosón que media dicha fuerza. No aclara mucho, ¿verdad? Un ejemplo debería ayudar, sobre todo si llevas con nosotros cierto tiempo.

Una carga diferente de la eléctrica, y de la que hemos hablado antes en El Tamiz, es la carga de color o simplemente color, asociada a la interacción nuclear fuerte y, como bosón, al gluón. Como recordarás si leíste aquellos artículos, existen varios colores diferentes; las partículas subatómicas pueden tener unos colores u otros, y existe un bosón (el gluón, en este caso) que transmite una fuerza que ejercen, y notan, las partículas con carga de color. Las partículas sin color (como el electrón, por ejemplo) no notan esta fuerza.

La carga eléctrica, a veces simplemente llamada carga porque es la que más notamos y la que más aparece en la vida cotidiana, cumple las mismas condiciones: se trata de una propiedad de las partículas subatómicas, existen distintos tipos (en este caso dos, de los que hablaremos en un momento), y está asociada a un bosón, el fotón, que media una fuerza, la fuerza electromagnética, que notan aquellas partículas que tienen carga eléctrica.

Como puedes ver, para cualquier carga en Física, la definición es algo así como una pescadilla que se muerde la cola: es una propiedad de las cosas que puede tenerse de varios tipos o no tenerse, y las partículas que la tienen interaccionan unas con otras mediante una fuerza determinada. De modo que, al final, lo que de verdad determina cualquiera de estas cargas, incluida la eléctrica, es la fuerza a la que están asociadas. Podríamos definir la carga eléctrica como algo así:

La carga eléctrica es la propiedad de las partículas que ejercen y sufren la interacción electromagnética.

Al igual que hay tres cargas de color diferentes (rojo, azul y verde), hay dos cargas eléctricas diferentes. Dicho en términos de la fuerza electromagnética, existen dos fuentes diferentes, y dos reacciones distintas, ante esa fuerza. Tradicionalmente, se ha llamado a estos dos “sabores” de la carga eléctrica carga positiva y carga negativa… y esto, como tantas otas cosas relacionadas con ella, ha llevado a mucha confusión (en parte, porque el concepto de carga eléctrica apareció en Física bastante antes de que conociéramos la mecánica cuántica).

Pero no hay nada positivo en la “carga positiva”, y nada negativo en la “carga negativa”. Todo está en nuestra cabeza. Se trata de una manera de mirar la carga que es muy útil matemáticamente, y hace de nuestras fórmulas algo más simple de lo que serían si empleásemos otros convenios diferentes, pero eso es todo. Siempre que trates de aferrarte a conceptos como éstos, recuerda: las fórmulas están en tu cabeza, y son la forma que tenemos de tratar de predecir el comportamiento de las cosas. Las fórmulas no están en las cosas, son una construcción de nuestro intelecto.

Es decir, que existen dos tipos de cargas que cumplen ciertas simetrías, y punto. Podríamos, por ejemplo, llamar a la carga del electrón “carga positiva” y a la del protón “carga negativa”, cambiar el signo en varias de nuestras fórmulas, y no cambiaría absolutamente nada (excepto que, si no nos ponemos todos de acuerdo, sería difícil comprendernos unos a otros al hablar de la carga eléctrica). Pero la carga de color debería ser un signo de que podemos ir aún más allá.

Podríamos llamar a uno de los dos tipos de carga “carga verde” y a la otra “carga roja”, y aprender electricidad utilizando esos conceptos. Al utilizar fórmulas, la cosa se complicaría bastante, pero conceptualmente no habría problema alguno. De hecho, es una ventaja en cierto sentido, porque elimina algunos de nuestras ideas preconcebidas sobre la electricidad, y tal vez te abra la mente a ideas, o maneras de ver las cosas, nuevas. La idea de hacer esto no es mía ni mucho menos; la primera vez que leí sobre ello fue en la excelente página de William J. Beaty, Red and Green “Electricity”.

De modo que, aunque estoy seguro de que “sabes” que el electrón “tiene carga negativa” y el protón “positiva”, permite que, por ahora, utilicemos este convenio de colores para desterrar ideas preconcebidas, y que te diga lo siguiente: la carga eléctrica es la propiedad de las cosas que notan, y ejercen, la fuerza electromagnética, y existen dos tipos de carga eléctrica, la roja y la verde. Los electrones, por ejemplo, tienen carga roja, y los protones tienen carga verde (los equivalentes de la carga negativa y positiva tradicionales respectivamente, claro).

Los dos tipos de carga cumplen una cierta simetría, son como las dos caras de una misma moneda: se comportan de modos opuestos ante la interacción electromagnética. Por ejemplo, si un cuerpo tiene la misma cantidad de carga roja que verde, no nota la fuerza electromagnética “en total”. No es que no la note en absoluto: su carga roja sufrirá una fuerza determinada, y su carga verde otra igual pero opuesta, ya que son simétricas, y en total –salvo que pasen cosas extrañas, de las que hablaremos luego– el cuerpo no parece ser afectado por la fuerza cuando lo miramos “desde fuera”.

Lo mismo sucede al ejercer esa fuerza electromagnética sobre otras cosas: el cuerpo que tiene igual cantidad de ambas cargas sí ejerce fuerzas electromagnéticas sobre cualquier cosa con carga. Pero, una vez más, si su carga roja “empuja”, su carga verde “tira”, con lo que la carga que sufra esas fuerzas en general no parecerá sentir nada, ya que ambas se compensarán. Por eso, cuando decimos que algo no tiene carga eléctrica, lo que realmente queremos decir es que tiene la misma cantidad de carga roja que de carga verde. Es decir, ambos tipos de carga están en equilibrio.

Un ejemplo sencillo: el neutrón. Un neutrón que entra en un campo magnético o en un campo eléctrico parece no sentir absolutamente ninguna fuerza, ¡pero sí la siente, sólo que varias veces! La cuestión es que un neutrón, como sabes si eres tamicero añejo, está formado por tres quarks (dos down y uno up) de cargas roja, roja y verde respectivamente, de modo que el quark de carga verde tiene el doble de ésta que los otros dos de carga roja. Como resultado, decimos que el neutrón “no tiene carga”, y todos nos entendemos, pero no olvides lo que eso significa de verdad.

Desde luego, aquí puedes ver ya por qué utilizamos los nombres “positiva” y “negativa” para ambos tipos de carga: así podemos trabajar matemáticamente con ambos tipos “opuestos” de modo que la carga del neutrón sea -1 -1 +2 = 0. Pero la razón de que no hayamos empezado así es que, al ver ese “0″, parece que no hay nada en el neutrón, cuando eso es una mentira tremenda, ¡claro que hay cargas! Eso sí, ¿cómo pensar en el equivalente de ese “0″, de esa cancelación de ambos tipos de cargas opuestas, en nuestro sistema de colores?

Empecemos a dibujar cargas rojas y verdes, pero con una peculiaridad: cuando tengamos cargas de ambos colores superpuestas, lo haremos de color negro. Ese color negro, por tanto, será el equivalente gráfico del “0″ de ahí arriba. Una partícula negra, por tanto, será una partícula con la misma cantidad de carga roja que verde, y no notará aparentemente ninguna fuerza electromagnética, es decir, “no tendrá carga” en el lenguaje habitual. Imagina que los quarks que forman el neutrón (dos down rojos con la mitad de carga que otro up verde) son éstos, dibujados de un tamaño proporcional a su carga:

Si juntamos los dos quarks rojos con el verde…

Formamos, por fin, el neutrón:

Que es, evidentemente, negro, porque rojo y verde, al superponerse en nuestro sistema de colores, forman el negro… pero no es neutro porque no tenga cargas. Algo diferente sucede, por ejemplo, con el fotón, que no tiene carga, pero no porque esté compuesto de cosas más simples con cargas de distintos colores, sino simplemente porque no la tiene. Y soy consciente de que, visto “desde lejos”, no se nota la diferencia. Pero esto es importante para entender a qué nos referimos cuando decimos que un objeto macroscópico “tiene carga eléctrica”.

Aunque vayamos lentos, permite que “construya” un protón de manera similar. El protón está formado por dos quarks up y uno down, es decir, en nuestro código de colores, dos verdes grandes como el de ahí arriba y uno rojo pequeño:

Al unir los tres…

Obtenemos un protón que, al contrario que el neutrón, no es completamente negro ni mucho menos:

El electrón, por su parte, es (hasta donde sabemos) una partícula fundamental, no formada por otras más simples, y su carga es, en nuestros términos, roja, y tiene un valor tres veces mayor que la de un quark down, es decir, en nuestros dibujos, un tamaño de tres cuadrados:

Aquí entra en acción, por fin, la fuerza electromagnética que ejercen y sufren las cargas eléctricas (en nuestros dibujos, las cosas con color). Las cargas del mismo tipo se repelen entre sí, y las de tipos diferentes se atraen entre sí. Dicho en nuestros términos, el rojo repele al rojo y atrae al verde, y viceversa. Dicho en los términos ortodoxos de los libros de texto, las cargas del mismo signo se repelen, y las de signos contrarios se atraen. De ahí que, si un protón y un electrón se encuentran, sus cargas de distintos colores se atraen (mientras que, efectivamente, la carga roja del protón repele a la del electrón y viceversa, pero pierde la batalla con la carga verde, más abundante):

Y lo que se tiene entonces es un átomo de hidrógeno, que es neutro:

Me imagino que, si sabes algo de esto, llevas un buen rato tirándote de los pelos, pero créeme si te digo que la mayor parte de la gente piensa (consciente o inconscientemente) de que la carga eléctrica sólo aparece cuando hay chispas, o corriente, o que se crea en las pilas o cosas así. Lo siento si resulta repetitivo o aburrido para algunos, pero éste es un bloque básico, así que hay lo que hay.

El hecho de que el átomo de hidrógeno tenga cargas, como cualquier otro, por neutros que sean, es el que hace posible la Química. Como seguro que sabes, la carga positiva de ese átomo está en el núcleo, y la negativa se encuentra rodeándola, con lo que, estrictamente hablando, no se solapan, sino que se trata de un “centro verde” rodeado de una “corona roja” (los tamaños no son a escala en absoluto):

Pero, dado que la materia que nos rodea está compuesta de átomos, al mirarla desde lejos también suele ser “negra”, es decir, un solapamiento casi total de cargas rojas y verdes. Es decir, nos parece que no notamos la carga de los objetos. Fíjate en que no digo “no notamos la carga”, porque ¡desde luego que la notamos!, pero no la reconocemos como lo que es. De eso hablaremos en un momento, cuando discutamos sobre la Ley de Coulomb.

En el resto del bloque alternaremos la nomenclatura tradicional (positiva/negativa) con la que hemos empleado en este epígrafe (verde/roja); utilizaremos la segunda, sobre todo, cuando nos sirva para desterrar alguna idea preconcebida causada por la nomenclatura normal. Mi recomendación: en uno u otro caso, intenta traducir en tu cabeza a la nomenclatura contraria, por si una de las dos te ayuda a comprender mejor una cuestión.


Unidad de medida de la carga eléctrica: el culombio

Desgraciadamente, el concepto de carga eléctrica y sus unidades fueron desarrollados antes de que conociéramos la existencia de los quarks, la mecánica cuántica e incluso el electrón, con lo que existen –en mi opinión– algunos detalles desafortunados relacionados con ella. El primero de todos, que la carga eléctrica no es una unidad fundamental del Sistema Internacional, sino derivada: es decir, se define a partir de otras unidades diferentes, al contrario que, por ejemplo, el segundo o el metro. Esto supone que, cuando te dé la definición, por ahora no significará mucho para ti si no sabes de esto con antelación, de modo que luego daré otra, absolutamente extraoficial, pero que debería ser algo más intuitiva.

La unidad de carga, el culombio –a veces también coulomb(C), recibe su nombre en honor al francés Charles-Augustin de Coulomb. Las Mémoires sur l’Electricité et le Magnétisme de este genial físico son una de las bases fundamentales del estudio moderno de la electricidad, y entre ellas se encuentra la Ley de Coulomb, que establece la fuerza eléctrica de repulsión o atracción entre cargas del mismo o distinto signo y que estudiaremos en breve.

Una minúscula y pedante nota: en el SI, cuando el nombre de una unidad proviene del de una persona, la unidad completa se escribe con minúscula, mientras que el símbolo se escribe con mayúscula. 5 c, igual que 5 Culombios, son incorrectas; 5 C, 5 culombios son correctas. Y no se utilizan puntos al final de las unidades, porque no son abreviaturas, son símbolos.

Como he dicho antes, la definición oficial del culombio, si no sabes nada de electricidad, te va a dejar igual que estabas antes de leerla, pero es la que tenemos y luego daremos otra no oficial pero más acorde con este artículo:

Un culombio es la cantidad de carga eléctrica transportada durante un segundo por una corriente constante de un amperio.

Volveremos a esto cuando hablemos de los amperios. Lo desgraciado es que el culombio, que define una propiedad básica de la materia, se define a partir de algo más complejo que él físicamente. Como has visto antes, un electrón tenía tres “cuadrados rojos” de carga. La carga del electrón (o tal vez la de un quark down) hubiera sido, en mi opinión, una base mucho mejor para definir la unidad de carga que la oficial, pero bueno. Dado que la carga del electrón (o del protón) es la cantidad más pequeña de carga que podemos observar en una partícula libre, esta definición extraoficial me gusta más que la anterior:

Un culombio es la carga eléctrica de 6 241 509 629 152 650 000 protones o electrones1, es decir, unos 6,24·1018 protones/electrones.

El problema de esta definición, por cierto, es que cambiaría qué unidades son fundamentales y derivadas, y tendría otras implicaciones sobre el Sistema Internacional, pero espero que, tarde o temprano, la comunidad científica vaya por este camino. En cualquier caso, esto sigue sin decir mucho: vale, un culombio es la carga de muchísimos electrones, pero esto es inevitable, porque un electrón es minúsculo y tiene una carga muy pequeña. Para poder asimilar cuánto es un culombio hace falta compararlo con algo que podamos percibir con nuestros sentidos. De modo que hagamos justamente eso, como hizo el buen Coulomb en 1785, y hablemos de la Ley de Coulomb en términos cualitativos.


Ideas clave

Si algo debe haber quedado claro tras leer el artículo, y para enfrentar los siguientes, es esto:

  • La carga eléctrica es una propiedad de aquellas partículas subatómicas que ejercen y sufren la fuerza electromagnética, mediada de alguna manera (no hemos mencionado aún cómo) por fotones.

  • Existen dos tipos de carga, que llamamos arbitrariamente “positiva” y “negativa” (o, en este bloque, a veces “verde” y “roja”).

  • La carga eléctrica, sea del tipo que sea, se mide en culombios o coulombs.

Puede no parecer mucho, pero si tienes bien afianzadas estas tres ideas, el próximo artículo debería ser bastante revelador. En él hablaremos no sólo sobre la Ley de Coulomb, sino sobre la fuerza eléctrica en general, las formas en la que la notamos y los fenómenos de electrización más comunes. Llegaremos también a una noción intuitiva de cuánto es un culombio, y seguiremos aporreándote la cabeza con la idea de que los cuerpos a tu alrededor sí tienen cargas, y que puede notarse su presencia de maneras diversas.


Hasta la próxima…

Todavía no hemos acumulado suficiente conocimiento para plantear pequeños desafíos ni problemas, pero quiero dejarte un experimento realmente fácil de realizar y que, si te pareces a mí, te dejará con ganas de leer el próximo artículo. En la próxima entrada del Bloque explicaremos la física que hay detrás del asunto. Si sabes de electricidad, seguro que puedes explicar lo que está pasando en el experimento… si es así, no lo digas en comentarios, por favor. Lo mismo diré cuando haya ejercicios o desafíos más adelante: la idea es que realices lo que sea y pienses sobre ello, y que en la próxima entrada compruebes si tenías razón o no –en este caso no hay con qué pensar mucho todavía, así que no pretendo que llegues a ninguna conclusión–, no es un concurso para que nos demuestres lo mucho o poco que sabes.

A lo largo de estos bloques, utilizaremos el color azulado para experimentos y el amarillento para problemas o desafíos; aquí tienes el primer experimento:

Experimento 1 – ¡Mamá, puedo curvar el agua!

Material necesario: Un cepillo de plástico, un grifo, pelo (o ropa de fibra sintética, si eres calvo).

Instrucciones: Frota el cepillo vigorosamente contra el pelo durante unos segundos. Abre el grifo de modo que caiga un chorro continuo de agua lo más suavemente posible, fino y sin turbulencias. Acerca el cepillo al grifo: ¡el chorro de agua se curva hacia el cepillo!

Cuando lo hagas, no me digas que no deja en la cuneta al típico experimento de levantar papelitos con un bolígrafo. Yo sigo disfrutándolo como un niño — y más cuando se lo enseño a niños o adolescentes (o adultos con espírituo de niño). Nunca defrauda.

Al principio, había incluido la Ley de Coulomb y la electrización en este mismo artículo, pero ya que su objetivo es una iniciación absoluta, me pareció que dirigir a alguien a este bloque y enfrentarlo a un artículo largo podría ser descorazonador, así que lo he partido en dos. Preguntas: ¿es demasiado corto, o está bien concentrarse en dos o tres ideas fundamentales? ¿está bien enfocarlo desde un punto de vista relativamente moderno, con quarks y cosas así, o acojona al neófito? Vosotros me diréis.

Para saber más:


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