Fundamentos de la Electrostática: Carga Eléctrica, Materiales y Métodos de Electrización

El Origen de la Carga Eléctrica

El origen de las cargas eléctricas reside en el átomo. En el núcleo se encuentran los neutrones y los protones (cargas positivas), y orbitando alrededor están los electrones (cargas negativas).

Clasificación de Materiales según su Conductividad

La capacidad de un material para permitir el flujo de carga eléctrica define su clasificación:

Materiales Conductores

• Conductor: Es aquel material que ofrece poca resistencia al paso de la corriente eléctrica. Por lo tanto, se denomina que es un buen conductor. Ejemplos comunes incluyen la plata, el aluminio y el cobre.
• Superconductor: Es aquel material que deja de ofrecer resistencia al paso de las cargas a una cierta temperatura crítica, permitiendo un flujo de corriente sin pérdidas.

Materiales Aislantes

• Aislante: Un aislante es aquel material que ofrece la mayor oposición al paso de corriente eléctrica.

Equilibrio y Distribución de Cargas

Las cargas se distribuyen en un material de manera equilibrada hasta el punto de conseguir que ya no haya movimiento neto de las cargas, separando las cargas positivas de las negativas.

Métodos de Electrización

Existen tres métodos fundamentales para cargar eléctricamente un cuerpo:

1. Electrización por Frotamiento (Fricción)

La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo: Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual esta queda cargada negativamente y aquel positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por la seda.

En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro. De ahí que, en conjunto, no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del Principio de Conservación de la Carga Eléctrica, formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

2. Electrización por Contacto

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo, es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto.

El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

3. Electrización por Influencia o Inducción

La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que estas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente.

Si el cuerpo cargado es negativo, entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

El Campo Eléctrico y Fenómenos Asociados

El Campo Eléctrico

El campo eléctrico es el espacio en el que interactúa una fuerza eléctrica. Para representarlo se utilizan líneas que indican la dirección de la fuerza, dependiendo si esta es de atracción o de repulsión.

Viento Eléctrico

Cuando los conductores metálicos terminan en punta, se acumula mucha carga en ellas; la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire.

• Las puntas cargadas positivamente producen viento eléctrico positivo.
• Las puntas cargadas negativamente producen viento eléctrico negativo.

La Jaula de Faraday

Una Jaula de Faraday es una pantalla eléctrica, una superficie conductora que rodea un espacio hueco impidiendo las perturbaciones producidas por campos eléctricos externos. El efecto Jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, y por tanto, se anulen todos los efectos de los campos.

El Principio del Pararrayos (Conexión a Tierra)

El funcionamiento del pararrayos se basa en el principio de que la electricidad siempre se descarga a tierra y tiende a buscar el camino más fácil (menor resistencia). Siendo así, el camino más fácil es un largo cable de cobre, que va desde la antena del pararrayos colocada en la parte más alta de la construcción hasta la tierra, donde se le coloca a la mayor profundidad posible para asegurar su conexión a tierra.