Hola, ¿Qué tal te estás? Me da mucha alegría verte por aquí, muchos de los temas que te he traído hasta ahora, tienen como esencia a la electricidad; sin embargo, no me he dado la oportunidad para explicar los fundamentos básicos que hay detrás de esta parte esencial, es por eso que hoy voy a hablarte de lo que es la CARGA ELÉCTRICA:

• Un propiedad física que se encuentra en las partículas subatómicas y es básica de la materia, por lo que ya te imaginarás que tan importante es conocer este tema.

Te explicaré desde la definición básica de lo que es la carga eléctrica, sus unidades de medida y la historia que hay detrás de esta propiedad física, hasta llegar a conocer sus leyes, sus principios matemáticos y, finalmente, estar listos para realizar ejercicios matemáticos relacionados a este tema.

El objetivo es sencillo: al final de este artículo, tendrás la capacidad de explicar con tus palabras qué es la carga eléctrica y todas sus características, así como diferenciarla de otras propiedades y reconocer sus elementos matemáticos. ¡Serás toda/o un as en este tema! Vamos, comencemos este recorrido. 🤓⚡

¿Qué es la carga eléctrica?

Bien, podemos definir a la carga eléctrica de la siguiente manera:

La carga eléctrica es una propiedad física natural que se encuentra en las partículas subatómicas, la cual hace acto de presencia en la naturaleza por medio de fuerzas de atracción o repulsión entre partículas, todo esto a través de un campo eléctrico, magnético o electromagnético.

Básicamente, puedes comprender a la carga eléctrica como el fenómeno culpable de las interacciones electrostáticas de la materia y, por lo tanto, que exista la electricidad. Como ya puedes darte cuenta, la carga eléctrica es una propiedad básica de la materia, por lo que es de vital importancia entender su concepto y las leyes que rigen a este fundamento.

Una de las características especiales de las cargas eléctricas es que tienen la capacidad de producir campos eléctricos y campos magnéticos, por lo que si una carga eléctrica tiene interacción con un campo electromagnético, se origina lo que se conoce como la fuerza electromagnética, la cual es una de las fuerzas fundamentales de la física.

Hasta ahora, creo que se ha comprendido muy bien lo que es la carga eléctrica; no obstante, todo esto es mucho más sofisticado y es necesario irlo conociendo poco a poco, este solo es el comienzo. Por ahora, continuemos explorando cuál es la unidad de medida para esta propiedad física.

Unidad de medida de la carga eléctrica

La unidad de medida de la cantidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades (S.I) es el coulomb (C). Ahora la pregunta es: ¿Qué es un coulomb? A esta unidad la podemos definir de la siguiente manera:

Un coulomb representa la cantidad de carga eléctrica que se mueve a través de una sección transversal de un conductor eléctrico en un lapso de tiempo de un segundo y con una corriente eléctrica de 1 ampere.

• Lo anterior, en fórmula matemática, se ve de la siguiente manera:

• También podrás encontrar el coulomb definido como electrones, lo cual se ve de la siguiente manera:

• Más adelante veremos más a detalle la relación de los electrones con la carga eléctrica.

Por último, otro detalle que no debes perder de vista, es que en la teoría matemática las cargas eléctricas se simbolizan con la literal q.

Ya que hemos conocido la unidad de medida de la carga eléctrica, es importante saber cuáles han sido sus antecedentes en la historia de la humanidad, por lo que a continuación, tendremos una breve clase de historia sobre la carga eléctrica, para poder continuar con la teoría de este fascinante tema. ¡Vamos!

Historia de la carga eléctrica: ¿desde cuándo se conoce?

En lo personal, me encanta mucho este tipo de apartados, porque muchas veces creemos que lo que hoy en día conocemos sobre la ciencia, es un hallazgo reciente; la verdad es que en muchos casos no es así, y con la carga eléctrica no es la excepción.

• Para conocer verdaderamente la historia de la carga eléctrica, tenemos que remontarnos a la Antigua Grecia, donde se realiza el primer experimento de electrostática: el famoso filósofo antiguo Tales de Mileto (c. 624 a.C - c. 546 a.C) descubrió que al frotar ámbar con algún trozo de piel, este material obtiene la capacidad de atraer otro tipo de materiales ligeros, como plumas pequeñas de ave o papel. Aunque este experimento fue muy sorprendente, poco se intentó dar una explicación teórica, la cual surgiría mucho después.
• Más tarde, en el año 1600, William Gilbert, médico inglés, observó que muchos materiales al frotarlos ejercen una atracción sobre cualquier cuerpo, como el ámbar, independientemente si el cuerpo es ligero o no.
• Curiosamente, el nombre del ámbar, en griego, se traduce como élektron, y gracias a esto, Gilbert empieza a nombrar al comportamiento de atracción entre materiales como un comportamiento eléctrico, originando los términos que hoy conocemos como electricidad y carga eléctrica.
• Más adelante, solo se realizan experimentos y estudios importantes con este fenómeno, como el de Stephen Gray en 1729, quien descubrió que existía un fenómeno de repulsión y de atracción de elementos al conectarlos con materiales de naturaleza eléctrica. Gracias a este experimento y muchos estudios, Benjamin Franklin en el año 1750, aproximadamente, pudo proponer la existencia de dos tipos de cargas, pues observo que la electricidad de los cuerpos se trasladaba en ciertos sitios donde existía más atracción. A estos sitios solo los marcó como positivo (+) y negativo (-).
• No obstante, fue aproximadamente hasta el año 1833, cuando Michael Faraday planteó formalmente las observaciones del fenómeno de cargas eléctricas, gracias a sus experimentos de electrólisis. Plantear formalmente estas observaciones permitió complementar sus estudios sobre la electricidad y la materia, en conjunto con las investigaciones de Maxwell sobre los fenómenos electromagnéticos. Gracias a este trabajo, se conoce finalmente que la carga eléctrica no es una sustancia especial en los cuerpos, sino que es una consecuencia de la transformación de la energía, permitiendo entender que la magnitud de la carga eléctrica es un valor continuo, sin importar de que se traté de niveles microscópicos.
• El conocimiento de la existencia de la carga eléctrica se vio poderosamente complementada con el descubrimiento del electrón y la cantidad de carga que esta partícula esencial posee.
• Como puedes ver, el conocimiento que tenemos sobre la carga eléctrica no es nuevo, ni siquiera es reciente; no obstante, a lo largo de los años se ha ido complementando, llegando a ser lo que ahora estamos explorando.
• Ya que hemos conocido los antecedentes de la carga eléctrica, podemos continuar conociendo nuestra teoría. Ahora veamos los tipos de carga eléctrica que existen, algo muy fácil de comprender.

Tipos de carga eléctrica

Esencialmente existen dos tipos de carga eléctrica: carga positiva y carga negativa; no obstante, para entender mejor este concepto, tenemos que saber cómo y de donde vienen este tipo de cargas, y para saber eso nos tenemos que trasladar a lo que compone a toda la materia conocida: el átomo.

Recordemos rápidamente que la materia ordinaria está constituida por átomos, y estos se componen de partículas subatómicas, de las cuales las principales son los protones, los neutrones y los electrones.

El átomo está constituido por dos partes esenciales: el núcleo y la corteza. El núcleo del átomo es la parte central y más pequeña, y en ella se encuentran los protones, los neutrones y demás partículas subatómicas. Mientras tanto, la corteza es la parte exterior y más grande del átomo, y en ella solo se encuentran los electrones, los cuales se mueven en orbitas alrededor del núcleo del átomo.

Tanto el electrón y el protón tienen una carga eléctrica propia, que en ambos se define igual; no obstante, el valor de la carga eléctrica del protón es positiva, mientras que la del electrón es negativa. Este fenómeno ocasiona que exista una fuerza de atracción y repulsión entre partículas subatómicas que está bajo el control de una ley muy famosa, que quizá te suene: la ley de Coulomb.

Esta ley dice lo siguiente:

Cargas iguales se repelen. Cargas diferentes se atraen.

No nos meteremos mucho en esta ley ahora mismo, pues más adelante dedicaremos todo un apartado para saber exactamente de qué se trata todo esto.

Por otro lado, los neutrones son los únicos que no poseen carga eléctrica, por lo que es una partícula subatómica que no se siente atraída ni repelida por los protones y los neutrones.

¿Qué hay de los cuerpos positivos y cuerpos negativos? En general, los materiales tienen naturaleza neutra, lo que significa que tienen el mismo número de cargas positivas y negativas (protones y electrones por igual). No obstante, a veces los electrones tienen la capacidad de trasladarse de un material a otro; de este fenómeno surgen los cuerpos con carga positiva, o también conocidos como cuerpos con defecto de electrones, y por lo tanto, también pueden existir los cuerpos con cargas negativas o cuerpos con exceso de electrones.

Lo anterior dicho nos dice una cosa muy importante y esencial de la carga eléctrica y los cuerpos: para que estos puedan adquirir una carga eléctrica, tiene que perder o ganar electrones. Así es como funciona la carga eléctrica hablando desde el átomo y, fundamentalmente, es el origen de la electricidad y todos sus derivados.

Para complementar mejor este apartado y quede mucho más claro, pasemos al siguiente apartado a conocer las propiedades de la carga eléctrica. Repetiremos algunos puntos ya vistos, pero solo para reafirmar la información.

Propiedades de las cargas eléctricas

En este apartado conoceremos las diversas propiedades que posee las cargas eléctricas; sin embargo, todo lo explicaré punto a punto para que tengas una mejor comprensión de esta parte, y no veas mucho texto en conjunto y llegues a confundirte.

• La primera propiedad que se debe destacar es que la carga eléctrica es una magnitud cuantizada, o es un múltiplo del valor de e en cualquier cuerpo, ya que toda materia se compone de protones y electrones con el valor de carga e; este valor es el siguiente:

• La carga eléctrica solo tiene tres naturalezas: negativa (cuando el cuerpo tiene más electrones que protones), positiva (cuando se tiene menos electrones que protones) y neutra (cuando el numero de electrones y protones es el mismo).
• Cuando un cuerpo no permite el libre movimiento de la carga eléctrica en su superficie, estamos hablando de un cuerpo aislante. De lo contrario, si el cuerpo permite la libre circulación de la carga eléctrica, se dice que es un cuerpo conductor.
• Otra propiedad que posee la carga eléctrica, es el seguimiento del principio de conservación de la carga, la cual establece que no existe una destrucción ni creación de carga eléctrica, por lo tanto, la carga total se conserva y permanece constante, sin importar si es una región espacial microscópica.

Por último y no menos importante, la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas, según la ley de Coulomb, es directamente proporcional al inverso del cuadrado de la distancia que separa a ambas cargas. Sé que suena algo inentendible, pero esto nos conecta a los siguientes dos últimos apartados en los cuales te explicaré la fuerza eléctrica y, finalmente, la ley de Coulomb y sus fórmulas. Vamos a ver que es lo que nos dicen estos conceptos finales.

Fuerza eléctrica y Ley de Coulomb

La fuerza eléctrica es lo que anteriormente vimos sobre la fuerza de atracción o repulsión que puede existir entre dos cargas eléctricas; esta fuerzas, si existen entre dos cargas próximas en reposo, reciben el nombre de fuerzas electrostáticas. Gráficamente esto se ve de la siguiente manera:

• La fuerza que se ejerce sobre una carga apunta hacía la otra cuando son de diferente signo (fuerza de atracción).

• La fuerza apunta a lados opuestos cuando las cargas tienen el mismo signo (fuerza de repulsión).

Muy bien todo hasta este punto, pero quizás una pregunta que te llega a la mente es: ¿cómo calcular el valor de esta fuerza? Bueno, ahí es donde entramos directamente a la ley de Coulomb y sus propiedades matemáticas. Pon atención a lo siguiente, que más adelante haremos un ejemplo práctico.

Ley de Coulomb: fórmula y cálculo

¿Recuerdas que anteriormente te mencioné que no iba a profundizar mucho en la ley de Coulomb? Bueno, era porque ahora mismo veremos con detalle de que trata esta Ley y cuales son sus propiedades matemáticas.

La ley de Coulomb establece lo siguiente:

Las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposos poseen una magnitud que es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas, y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La fuerza será de repulsión si las cargas son de igual signo, y será de atracción si son de signo contrario.

Esto, matemáticamente, se ve de la siguiente forma:

Donde:

• F = fuerza eléctrica de repulsión o de atracción, en Newtons (N).
• K = constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. La fuerza puede variar dependiendo de la permitividad eléctrica del medio donde nos encontremos. En breve te hablaré más sobre esto.
• q = valor de las cargas eléctricas, en Coulomb (C).
• r = distancia que separa a las cargas, en metros (m).

En este calculo, el valor de la constante de Coulomb o la permitividad eléctrica del material es de suma importancia, pero generalmente se utiliza el valor de la permitividad eléctrica del vacío. En el Sistema Internacional, esta constante tiene el siguiente valor:

Sin embargo, esto solo funcionaría por si solo con dos cargas. Si deseas conocer la fuerza eléctrica de una carga cuando se encuentra rodeada de más de una carga, sería el mismo proceso, con la diferencia de que al final al resultado de las fuerzas le tendrás que aplicar el principio de superposición, que no es más que la suma vectorial de las fuerzas entre cada una de las cargas.

Finalmente, esto es aplicable a circuitos eléctricos, por lo que si deseas conocer la carga eléctrica en un circuito, puedes utilizar la siguiente expresión matemática:

Donde:

• q = carga eléctrica, en Coulombs (C).
• I = corriente eléctrica, en Amperes (A).
• t = tiempo, en segundos.

Como puedes observar, entender la teoría matemática es realmente sencillo, el detalle se encuentra en reconocer la parte teórica de las cargas eléctricas.

Ya que hemos conocido todo lo teórico, pasemos a realizar un par de ejemplos para que quede mejor establecido todo este conocimiento; de esta forma, estaremos concluyendo este fascinante tema. ¡Vamos!

Ejemplos

En esta sección haremos dos ejemplos prácticos: en el primer ejercicio vamos a calcular la ley de Coulomb en dos cargas eléctricas puntuales, mientras que en el segundo vamos a calcular la carga eléctrica de un circuito eléctrico con tan solo el conocimiento del tiempo y la corriente eléctrica. Veamos como realizar cada uno punto a punto.

Ejercicio 1

Se tienen dos cargas puntuales en reposo separadas por 4 metros de distancia. La carga 1 (q1) tiene un valor de +45 micro Coulomb (uC), mientras que la carga 2 (q2) tiene un valor de -51 micro Coulomb (uC). ¿Cuál es el valor de las fuerzas que ambas cargas experimentan? Se utiliza la constante de Coulomb.

Muy bien, gráficamente se tiene lo siguiente:

Al tratarse de cargas de distinto signo, se habla de una fuerza de atracción entre cargas. Ahora conozcamos el valor de dicha fuerza.

Podemos concluir que la fuerza de atracción que experimentan estas cargas tiene un valor de -1.29N.

¿Lo ves? Ha sido realmente muy fácil. Ahora veamos el siguiente ejercicio, que esta aún más fácil.

Ejercicio 2

En un circuito eléctrico circula una corriente de 50mA en un tiempo aproximado de 5 horas. Se desea conocer el valor de la carga eléctrica que circula por dicho circuito.

Esto es realmente muy sencillo. Lo primero que debemos hacer, es conocer el valor del tiempo en segundos, cosa que se hace de la siguiente forma:

Ya que tenemos el tiempo. podemos calcular la carga eléctrica.

Podemos concluir que la carga eléctrica que pasa por este circuito, tiene un valor de 900 Coulombs.

Si has llegado hasta este punto, te quiero felicitar por tu dedicación a estos conocimientos y por haberme leído por completo. Sé que no fue un viaje fácil por los kilos de teoría que trae consigo este tema, pero intenté explicarlo de la mejor forma para que sea cómodo cuando desees volver a leer este artículo.

El comprender como funciona la carga eléctrica nos da una apertura en el conocimiento de la electricidad y la electrónica, pues estamos navegando por sus orígenes naturales. La carga eléctrica es una propiedad física que viene desde los átomos y sus partículas subatómicas, desde este punto ya podemos darnos cuenta la importancia que tiene en la naturaleza y en el “por qué” de las muchas cosas que vemos día a día.

En lo personal, me parece fascinante explorar el origen de todas las cosas que nos rodean; desde tecnología actual, hasta fenómenos físicos que, en conjunto con otros eventos naturales, pueden surgir grandiosas cosas, como lo es la electricidad en este particular caso. Aun hay mucho que explorar allá fuera, por lo que conocer este tipo de detalles nos da una mejor preparación para seguir navegando entre temas relacionados y nuevos aprendizajes.

Como ya es costumbre aquí al finalizar un artículo, te dejo algunos puntos que valen mucho la pena recordar y mantener frescos en esta racha final. Veamos cuáles son estos puntos:

• La carga eléctrica es una propiedad física natural que se encuentra en las partículas subatómicas, la cual hace acto de presencia en la naturaleza por medio de fuerzas de atracción o repulsión entre partículas, todo esto a través de un campo eléctrico, magnético o electromagnético.
• La interacción de cargas eléctricas es la culpable de los fenómenos electroestáticos y, por ende, que se origine la electricidad.
• La unidad de medida de la carga eléctrica es el Coulomb (C).
• La carga eléctrica se simboliza con la literal q.
• Desde la Grecia Antigua se han realizado experimentos que consistían en la atracción y repulsión de objetos por medio de carga eléctrica. No fue hasta el siglo XIX que Michael Faraday plateó formalmente las observaciones de las cargas eléctricas.
• Existen dos tipos de cargas eléctricas: cargas negativas (-) y cargas positivas (+).
• Las fuerzas eléctricas se rigen sobre la ley de Coulomb, la cual dice que las cargas eléctricas de mismo signo se repele, mientras que las cargas de distinto signo se atraen.
• Una propiedad muy importante de la carga eléctrica que siempre debe recordarse, es el principio de conservación de la carga, que establece que no se puede destruir ni crear la carga eléctrica, por lo tanto, la carga total se conserva y permanece constante, sin importar si es una región espacial microscópica.

Hemos llegado al final de este artículo. Quiero agradecerte que me hayas acompañado en este aprendizaje, espero que te haya servido conocer o recordar este tema.

Compártelo con quien creas que le ayudará muchísimo comprender los conocimientos que aquí están plasmados. No olvides jamás que eres la/el mejor, jamás dejes de explorar y tener curiosidad sobre el funcionamiento de nuestro mundo.

Nos vemos en otra ocasión, ¡hasta luego!