La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que permite que las partículas ejerzan fuerzas eléctricas.
Si le preguntas a alguien qué es la electricidad, probablemente te dirá que es “el flujo de electrones”. Y tendrá razón. Pero, ¿por qué fluyen? ¿De dónde salen? ¿Y por qué algunos materiales permiten que fluyan y otros no?
Para responder a esto, tenemos que dejar de pensar en cables y enchufes por un momento y mirar hacia adentro de la materia, a una escala muy pequeña. Vamos a hablar de la estructura del átomo.
La estructura del átomo
Toda la materia que conocemos está formada por átomos. Aunque el modelo cuántico actual es complejo (nubes de probabilidad), para entender la electricidad nos basta con el modelo de Bohr (el clásico sistema solar en miniatura).
Un átomo se compone de dos partes principales:
- El Núcleo: Situado en el centro. Contiene Protones (con carga positiva) y Neutrones (sin carga eléctrica). Aquí reside casi toda la masa del átomo, pero no participa “directamente” en la conducción eléctrica habitual.
- La corteza electrónica: Región en la que encontramos los electrones (con carga negativa) distribuidos en orbitales. No siguen órbitas definidas como planetas alrededor del Sol, aunque a menudo los dibujemos así para simplificar.
El equilibrio eléctrico
En su estado natural, un átomo es eléctricamente neutro. Esto significa que tiene el mismo número de protones que de electrones.
La fuerza que mantiene a los electrones orbitando alrededor del núcleo es la fuerza electrostática: cargas de signo opuesto se atraen. El núcleo positivo tira de los electrones negativos.
Esta fuerza de atracción es fuerte cerca del núcleo, pero se debilita a medida que nos alejamos hacia las capas más externas del átomo.
La carga eléctrica (Q)
La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia, tan fundamental como la masa. Se manifiesta mediante fuerzas de atracción (cargas distintas) o repulsión (cargas iguales).
La unidad de medida de la carga eléctrica en el Sistema Internacional es el culombio (C).
Sin embargo, el culombio es una unidad macroscópica. La magnitud de la carga elemental (
La carga del electrón es negativa, por lo que se escribe
Esto tiene una implicación numérica impresionante. Si queremos reunir una carga cuya magnitud sea 1 culombio, ¿cuántos electrones necesitamos agrupar?
Estamos hablando de más de 6 trillones de electrones para alcanzar la magnitud de un solo culombio.
Guarda este dato: cuando digamos que por un cable circula 1 amperio, estaremos diciendo que por una sección pasa 1 culombio por segundo. Es decir, un chorron de electrones por segundo.
El electrón de valencia y los electrones de conducción
Aquí llegamos al concepto más importante de este artículo. No todos los electrones son iguales a efectos prácticos.
Los electrones se organizan en capas o niveles de energía alrededor del núcleo.
- Los electrones de las capas internas están muy fuertemente unidos al núcleo. Es muy difícil arrancarlos.
- Los electrones de la última capa se llaman electrones de valencia.
Como estos electrones de valencia están más lejos del núcleo, la fuerza de atracción que sienten es mucho más débil. Además, los electrones internos hacen un efecto de “apantallamiento”, reduciendo aún más la influencia del núcleo sobre los exteriores.
Electrones deslocalizados en un metal
En los metales, como el cobre, el oro o el aluminio, los orbitales de muchos átomos se combinan. Parte de sus electrones de valencia queda deslocalizada por toda la red cristalina en lugar de pertenecer a un átomo concreto.
Esos electrones ya están disponibles para conducir. Sin un campo eléctrico, su movimiento térmico es desordenado y no produce corriente neta; al aplicar un campo, adquieren una pequeña velocidad de deriva ordenada.
A menudo los llamamos electrones libres, aunque electrones de conducción es un nombre más preciso.
En un conductor metálico, la corriente aparece cuando los electrones de conducción adquieren un movimiento neto ordenado.
Iones: cuando se rompe el equilibrio
Cuando un átomo pierde un electrón libre, deja de ser neutro. Ahora tiene un protón más que el número de electrones.
- El átomo que pierde electrones queda cargado positivamente (catión).
- El átomo que gana electrones queda cargado negativamente (anión).
Aunque en los cables de cobre lo que se mueve son los electrones, en otros medios (como en las baterías o en la electrólisis), los iones también se mueven y transportan carga.
Para que exista corriente eléctrica necesitamos cargas con libertad de movimiento. La estructura electrónica del material determina por qué el cobre conduce con facilidad y el plástico no (lo veremos en su propia entrada).
