Carga eléctrica

La carga eléctrica es la propiedad de la materia que origina todos los fenómenos eléctricos. Un átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro, pero puede ganar o perder electrones y quedar cargado. En este post te explico qué es un ion, por qué el electrón es la unidad elemental de carga, cómo se atraen y repelen las cargas según la ley de Coulomb (con un ejemplo resuelto), qué son los electrones de valencia y qué es un culombio.

Átomos neutros e iones

El átomo, en condiciones normales, tiene un carácter eléctricamente neutro, porque el número de protones (positivos) es igual al número de electrones (negativos). Por distintos métodos (frotamiento, inducción, contacto) podemos hacer que un átomo pierda o gane electrones. Entonces deja de ser neutro:

• Si pierde electrones, queda con carga positiva: es un ion positivo o catión.
• Si gana electrones, queda con carga negativa: es un ion negativo o anión.

A un átomo cargado eléctricamente se le llama ion.

La carga elemental

Como el átomo es neutro cuando tiene igual número de protones y electrones, sabemos que el protón y el electrón tienen la misma cantidad de carga, pero de signo contrario. Por eso se considera al electrón como la unidad elemental de carga eléctrica:

e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C

Toda carga eléctrica es un múltiplo entero de esta carga elemental: no existe "medio electrón" de carga en la electrónica cotidiana.

Atracción y repulsión: la ley de Coulomb

Uno de los principios fundamentales de la electrostática dice que dos cargas del mismo signo se repelen y dos cargas de signo contrario se atraen. La intensidad de esa fuerza la da la ley de Coulomb:

"La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."

F = k · Q₁ · Q₂ / d²

• F: fuerza, en newtons (N).
• Q₁, Q₂: cargas, en culombios (C).
• d: distancia entre las cargas, en metros (m).
• k: constante de Coulomb, ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C² en el vacío.

Ejemplo resuelto

Dos cargas de 1 µC cada una están separadas 10 cm (0,1 m). ¿Qué fuerza se ejercen?

F = 9 × 10⁹ × (1 × 10⁻⁶) × (1 × 10⁻⁶) / (0,1)² = 9 × 10⁻³ / 0,01 = 0,9 N.

Si las alejamos al doble (20 cm), la fuerza se reduce a la cuarta parte: 0,225 N. Esa es la consecuencia del "cuadrado de la distancia".

Electrones de valencia

Como la fuerza de atracción del núcleo sobre los electrones disminuye con la distancia, los electrones de las órbitas más alejadas están menos sujetos. Por eso un átomo cede o toma electrones solo en su última órbita. A los electrones de esa capa externa se les llama electrones de valencia.

Los electrones de valencia determinan si un material es buen conductor (como el cobre, con un solo electrón de valencia muy suelto), aislante o semiconductor (como el silicio, con cuatro).

El culombio

La carga de un electrón es tan pequeña que en la práctica se usa una unidad mucho mayor, el culombio (C):

1 C ≈ 6,24 × 10¹⁸ electrones

(Algunos textos dan 6,23 o 6,28 × 10¹⁸; el valor correcto es 1 / 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 6,242 × 10¹⁸.)

La relación con la corriente es directa: 1 amperio es 1 culombio por segundo. Si por un LED circulan 20 mA, por él pasan 0,02 C cada segundo, es decir, unos 1,25 × 10¹⁷ electrones por segundo.

Formas de cargar un cuerpo

• Por frotamiento: al frotar dos materiales, los electrones pasan de uno al otro; uno queda positivo y el otro negativo.
• Por contacto: un cuerpo cargado comparte parte de su carga con otro al tocarlo.
• Por inducción: al acercar un cuerpo cargado, las cargas de un conductor cercano se redistribuyen sin que haya contacto.

Ejemplos de la vida diaria

• Electricidad estática: al caminar sobre una alfombra y tocar una manija metálica, sientes una chispa: tu cuerpo había acumulado carga por frotamiento.
• Fotocopiadoras e impresoras láser: usan cargas electrostáticas para atraer el tóner al papel.
• Condensadores: almacenan carga en dos placas separadas por un aislante.
• Rayos: son descargas de enormes cantidades de carga acumulada en las nubes.

Errores comunes

• Pensar que un cuerpo positivo "ganó protones": en realidad perdió electrones; los protones no se mueven del núcleo.
• Olvidar elevar la distancia al cuadrado en la ley de Coulomb.
• No convertir µC a C o cm a m antes de calcular.

Notas de seguridad

• La electricidad estática puede dañar componentes sensibles como MOSFET y circuitos integrados CMOS: descárgate tocando una superficie metálica conectada a tierra o usa una pulsera antiestática.
• Los condensadores grandes pueden conservar carga peligrosa después de desconectar un equipo; descárgalos antes de manipularlos.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre carga y corriente?

La carga es la cantidad de electricidad; la corriente es la carga que pasa por segundo.

¿De qué está hecho el átomo?

Lo explico en electricidad y estructura de la materia.

¿Qué pasa cuando hay diferencia de carga entre dos puntos?

Aparece una diferencia de potencial; lee tensión eléctrica.

Conclusión

Un átomo que pierde electrones queda positivo y uno que los gana queda negativo. Las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen con una fuerza dada por la ley de Coulomb, y la carga se mide en culombios: unos 6,24 × 10¹⁸ electrones.