Electricidad I - Carga eléctrica

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

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

A lo largo del bloque, de vez en cuando te encontrarás con texto dentro de cuadros de tres colores: azul, amarillo y verde. El texto de cualquier cuadro es un “extra”, que no es necesario leer para seguir el curso del bloque. Los cuadros azules son experimentos, en los que te sugerimos pequeñas experiencias acerca de lo que estás leyendo. Los cuadros amarillos son ampliaciones, en las que encontrarás enlaces a otros artículos o textos externos en los que leer más cosas acerca de algún aspecto concreto. Los cuadros verdes son desafíos que se responden más adelante en el bloque. Puede tratarse de preguntas para que razones, problemas numéricos, demostraciones o cualquier otro tipo de cosa que requiera que des una respuesta, para que compruebes lo mucho (o poco) que has aprendido hasta ese momento.

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.

Si, por el contrario, o nunca has aprendido electricidad o nunca la entendiste cuando te la explicaron, tengo que pedirte algo diferente. En primer lugar, aunque no partamos de la base de que sepas cosas, es necesaria una buena dosis de concentración y de esfuerzo para razonar según lees y comprender los conceptos que se explican, de modo que no esperes leerte esto de un tirón y ser un experto en nada. No se adquiere conocimiento sin esfuerzo. Mi recomendación es que te leas el artículo tranquilamente, dejando los cuadros amarillos para una segunda lectura… y, cuando termines, que te lo leas de nuevo, incluidos los cuadros amarillos (aunque no tienes por qué leer los enlaces que allí se mencionan). Y, desde luego, que no tengas el menor rubor en preguntar las dudas que aún te queden.

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 de las partículas, cumple ciertas leyes de conservación y existe algún tipo de simetría, y está siempre asociada a una fuerza fundamental de la Naturaleza. Sé que todo esto intimida, y por eso he dicho que no es una pregunta fácil de responder. Si estás empezando con esto y quieres una respuesta fácil, sáltate el cuadro amarillo y ya volverás a él más adelante pues, como he dicho antes, no es necesario en absoluto para entender este artículo.

La carga de color y la carga eléctrica
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. Como cualquier fuerza fundamental de la Naturaleza, la interacción fuerte está mediada por un bosón, en este caso 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.

El problema es que, 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.

Hay dos tipos de 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 otras 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 relativamente sencillo: el neutrón. Suele enseñarse en el colegio que el neutrón “no tiene carga” y punto. Y, efectivamente, 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, aunque no suela mencionarse en la escuela, un neutrón no es una especie de canica subatómica sin carga: está compuesto de partículas más simples. Aunque para este artículo no son importantes sus nombres ni la mayor parte de sus propiedades, esas partículas que forman el neutrón (de una manera similar a como los protones, electrones y neutrones forman el átomo) se llaman quarks, de los que hay varios tipos diferentes.
El neutrón está formado por tres de estos quarks: dos de ellos son del tipo down (esto no es importante) y tienen carga roja (esto sí lo es). El tercero es del tipo up, y tiene carga verde que vale el doble de la de los otros dos rojos. En total, existe un equilibrio en el neutrón entre la carga roja y la verde y, como resultado, decimos que el neutrón “no tiene carga”, y todos nos entendemos, pero no olvides lo que eso significa de verdad: que ambas cargas están en equilibrio entre sí, porque hay la misma cantidad de roja que de verde.

Neutrones, protones y quarks
El Tamiz tiene una serie, Esas maravillosas partículas, en la que recorremos muchas de las partículas fundamentales conocidas. Entre ellas hablamos precisamente del neutrón, el electrón, el protón y los quarks, sus tipos y propiedades, de modo que puedes leerla para saber más sobre ellos, aunque no sea necesario para entender esta entrada.

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 (de un quark rojo) -1 (del otro) +2 (del verde con el doble de carga) = 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 rojo del neutrón, es decir, en nuestros dibujos, un tamaño de tres cuadrados:




Cuando se unen un protón y un electrón para formar un átomo, éste es el resultado:




Y lo que se tiene entonces es un átomo de hidrógeno (el elemento de un protón en el núcleo), que es neutro:




Esta manera de ver el átomo “negro” es bastante útil cuando se lo mira desde lejos, porque ambas cargas están en equilibrio, pero en la realidad existen los dos tipos de carga en él (la positiva (verde) en el núcleo y la negativa (roja) alrededor de él). Si miras el átomo de cerca puedes ver, eléctricamente hablando, algo así (no está a escala ni mucho menos):




Pero, dado que la materia que nos rodea está compuesta de átomos, al mirarla desde lejos también suele ser “negra” como la hemos dibujado antes, 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.

Lea el artículo completo en:

El Tamiz