Conservación de la Carga

Definición de conservación de la carga eléctrica

Antes de aprender sobre la conservación de la carga eléctrica, hablemos primero de la carga eléctrica. Cuando frotamos un globo con nuestro pelo, el globo empieza a atraer nuestro pelo cuando lo mantenemos cerca. Esto se debe a la fuerza electrostática de atracción entre las cargas del pelo y del globo. Por otra parte, al acercar dos globos de este tipo (que se frotan con el pelo), empiezan a repelerse. Esto se debe a la fuerza electrostática de repulsión. Estos dos tipos de comportamiento de la carga eléctrica muestran la existencia de dos tipos posibles de carga eléctrica. Una es una carga positiva, y la otra es una carga negativa.

Siguiendo la convención, denotamos la carga positiva como \(+q\) y la carga negativa como \(-q\). En palabras sencillas, utilizamos el signo más para las cargas positivas y el signo menos para las negativas.

Fig. 2 - Dos posibles interacciones entre las cargas eléctricas debidas a una fuerza electrostática de atracción y repulsión entre cargas iguales y diferentes.

Los portadores de carga fundamentales son los electrones y los protones. Aunque la masa del protón es 1836 veces la masa del electrón, la cantidad de carga de cualquiera de los dos portadores es la misma, es decir, \(1,6\times10^{-19}\,\mathrm{C}\), donde \(\mathrm{C}\) (\(\mathrm{Coulomb}\)) es la unidad SI de carga eléctrica.

Hay tres propiedades fundamentales de la carga eléctrica,

1. De naturaleza aditiva - La carga eléctrica neta del sistema es la suma de las cargas individuales.

2. Cuantización - La cantidad de carga eléctrica de la sustancia es un múltiplo integral de su valor fundamental, es decir, \(q=ne\) donde \(n\) es un número entero y \(e=1,6\times10^{-19}\,\mathrm{C}\) es el valor fundamental de la carga.

3. Conservación de la carga eléctrica - La carga neta en un sistema aislado se conserva.

Ley de conservación de la carga eléctrica

En el ejemplo anterior de un globo frotado con pelo, la afinidad de electrones del globo es significativa. Por tanto, los electrones se transfieren del pelo al globo, lo que hace que el pelo se cargue positivamente y el globo negativamente.

No hay adición de carga de ninguna fuente externa en el sistema. Por tanto, la cantidad de carga negativa del globo es igual a la carga positiva del pelo.

Inicialmente, el globo y el pelo eran neutros. Por tanto, la carga neta del sistema en el estado inicial es cero.

Sea \(q\) la magnitud de la carga eléctrica del globo y del pelo. Por convención de signos, \(-q\) es la carga del globo, y \(+q\) es la carga del pelo. La carga eléctrica neta del sistema tras la carga por frotamiento es \(+q+\ izquierda(-q\ derecha)=q-q=0\). En conclusión, la carga neta del sistema en el estado final es la misma que en el estado inicial, es decir, cero. Este valor constante de la carga eléctrica neta demuestra la ley de conservación de la carga eléctrica.

Ejemplos de conservación de la carga

Para comprender mejor la conservación de la carga, veamos algunos ejemplos en los que se carga un material mientras se conserva la carga neta del sistema. Existen tres métodos de carga diferentes: carga por fricción, carga por inducción y carga por conducción. En esta parte aprenderemos cómo se conserva la carga eléctrica neta en cada método de carga.

Carga por fricción

Imagina que frotamos una varilla de vidrio con un paño de seda. La afinidad electrónica de la tela de seda es alta. Así, los electrones se transfieren de la varilla de vidrio a la tela de seda. Como resultado, la varilla de vidrio se carga positivamente, y la varilla de seda se carga negativamente.

Fig. 3 - La carga de la tela de seda y la varilla de vidrio se realiza por el método de carga por fricción con transferencia de electrones de la varilla de vidrio a la tela de seda.

Inicialmente, la varilla de vidrio y la tela de seda no tienen ninguna carga neta, es decir, la carga inicial es cero, y se dice que ambos objetos tienen carga neutra.

En la figura 3 vemos que, tras la carga por rozamiento, la carga eléctrica de la varilla de cristal es \(+6e\) (cada signo positivo representa una cantidad de carga igual a la carga elemental), y la carga eléctrica de la tela de seda es \(-6e\) (los signos negativos indican una cantidad de carga igual a la carga elemental, pero de polaridad opuesta). La carga neta del sistema en el estado final es \(-6e+6e=0\).

En conclusión, la carga eléctrica neta en el estado inicial es igual a la carga eléctrica neta en el estado final. Esto demuestra la ley de conservación de la carga eléctrica.

Carga por inducción

Imagina que colocamos la varilla de vidrio inicialmente cargada positivamente cerca de la esfera metálica sin carga. Debido a la fuerza electrostática de atracción, la carga negativa se acumulará en un lado de la esfera orientado hacia la varilla. Sin embargo, debido a la fuerza electrostática de repulsión, la carga positiva se acumulará en el otro lado de la esfera.

Fig. 4 - Polarización de la esfera metálica debido a la presencia de una varilla de vidrio cargada cerca de la esfera metálica.

En el estado inicial, la carga eléctrica de la varilla de cristal es \(+6e\), y la carga eléctrica de la esfera metálica es cero. Por tanto, la carga eléctrica neta en el estado inicial es \(+6e+0=+6e\).

Tras la carga por inducción, la carga eléctrica de la esfera metálica es \(-6e+6e=0\), y la carga eléctrica de la varilla de cristal es \(+6e\). Por tanto, la carga eléctrica neta en el estado final es \(0+6e=+6e\). En conclusión, la carga eléctrica neta en el estado inicial es igual a la carga eléctrica neta en el estado final. Este ejemplo demuestra una vez más la ley de conservación de la carga eléctrica.

Carga por conducción

Imagina que ponemos una esfera metálica cargada en contacto con una esfera metálica sin carga. Entonces se produce la transferencia de carga de la esfera cargada a la esfera sin carga hasta que la carga neta de cada esfera sea la misma.

Fig. 5 - Carga de una esfera metálica sin carga debido a la transferencia de carga eléctrica de la esfera cargada a la esfera sin carga cuando ambas están en contacto.

La figura anterior muestra que, en el estado inicial, la carga eléctrica de la esfera metálica cargada es \(+8e\). En cambio, la carga eléctrica de la esfera no cargada es cero. Por tanto, la carga eléctrica neta en el estado inicial es \(+8e+0=8e\).

La carga eléctrica en cualquiera de las esferas después de la carga por el método de conducción es \(+4e\). La carga neta en el estado final es \(+4e+4e=8e\). En conclusión, la carga eléctrica neta en el estado inicial es igual a la carga eléctrica neta en el estado final. Esto demuestra la ley de conservación de la carga eléctrica.

De la discusión anterior se deduce claramente que todos los métodos de carga siguen la ley de conservación de la carga eléctrica.

Conservación de la carga eléctrica en las reacciones nucleares

Dos tipos principales de reacciones nucleares son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La carga eléctrica del núcleo se conserva durante esta reacción nuclear. Vamos a discutir esta conservación de la carga en ambos tipos de reacción nuclear.

Fisión nuclear

Los núcleos de Uranio-235 son algunos de los grandes núcleos inestables más conocidos. Cuando el Uranio-235 es bombardeado con un neutrón, entonces el Uranio se rompe en Bario-139 y Criptón-94 combinados con la emisión de 3 neutrones. \[\ce{^1_0n + ^235_92 U -> ^139_56 Ba + ^94_36Kr + 3 ^1_0n}\].

En la reacción anterior, la carga eléctrica sobre el núcleo de Uranio es \(+92e\), y la carga eléctrica sobre el neutrón es cero. Por tanto, la carga eléctrica neta en el lado del reactante es \(+92e+0=+92e\).

La carga eléctrica en el núcleo del Bario es \(+56e\), y la carga eléctrica en el núcleo del criptón es \(+36e\). Por tanto, la carga eléctrica neta en el lado del producto es \(+56e+36e=92e\). En conclusión, la carga eléctrica neta del sistema se conserva durante la reacción de fisión nuclear.

Fusión nuclear

Por ejemplo, los isótopos inestables del hidrógeno, es decir, el Deuterio 2 y el Tritio 3, reaccionan entre sí para producir un núcleo estable de Helio 4 combinado con la emisión de neutrones. \[\ce{^2_1H + ^3_1H -> ^4_2He + ^1_0n}.\]

De la reacción anterior, la carga eléctrica en el núcleo del Deuterio es \(+1e\), y la carga eléctrica en el núcleo del Tritio es \(+1e\). Por tanto, la carga eléctrica neta en el lado del reactante es \(+1e+1e=2e\).

Del mismo modo, la carga eléctrica sobre el núcleo de helio es \(+2e\), y la carga eléctrica sobre el neutrón es cero. Por tanto, la carga eléctrica neta en el lado del producto es \(+2e+0=+2e\). Así pues, la carga eléctrica neta del sistema se conserva en la reacción de fusión nuclear.

Conservación de la carga eléctrica en los circuitos eléctricos

En los circuitos eléctricos son posibles dos disposiciones de los dispositivos eléctricos (en serie y en paralelo). Sin embargo, aunque los dispositivos eléctricos estén dispuestos de forma diferente, la carga eléctrica neta del circuito se conserva.

En el circuito en serie, hay una única trayectoria de la corriente. Esto se debe a que todos los dispositivos eléctricos están conectados a lo largo de la misma línea de extremo a extremo.

Fig. 6 - La figura muestra el flujo de la misma corriente a través de los dispositivos eléctricos del circuito en serie.

Sólo hay un camino, por lo que la misma cantidad de carga pasa por todos los dispositivos. Esto confirma la conservación de la carga eléctrica en el circuito en serie.

En el circuito paralelo, los dispositivos eléctricos están conectados en paralelo entre sí. Por lo tanto, la corriente que fluye a través de cada dispositivo varía en función de la resistencia a través del dispositivo.

Fig. 7 - La figura muestra el flujo de corriente a través de las ramas en el circuito paralelo.

Pero, la corriente neta a través del circuito es igual a la suma de la corriente eléctrica a través de cada rama se conserva. En otras palabras, la carga eléctrica neta a través de cualquier nodo del circuito se conserva. Esto confirma la conservación de la carga eléctrica en los circuitos paralelos.