Electrónica para Programadores · Tema 03

Carga eléctrica y electrones

La materia prima de todo: qué es la carga, dónde vive, cómo se cuenta en coulombs y por qué nunca se crea ni se destruye.

01 · Punto de partida

Sin carga no hay nada que controlar

Corriente, tensión, resistencia, potencia: todas hablan de lo mismo por debajo, la carga eléctrica en movimiento o acumulada. Si entendés la carga, los próximos cinco temas son cuesta abajo. Si la salteás, todo suena a magia.

Pensalo como programador: la carga es el dato físico. La corriente es cuántos datos pasan por segundo. La tensión es cuánto empuje tienen. La resistencia es cuánto cuesta pasar. Pero el dato en sí, el que se mueve, es la carga.

  • ¿De dónde salen los electrones que prenden el LED?
  • ¿Se “gastan” los electrones cuando el LED brilla?
  • ¿Qué significa que algo tenga “carga positiva” si los que se mueven son electrones negativos?
  • ¿Cuánta carga hay en una pila común?

02 · Definición

Qué es la carga, en criollo y en serio

Todo átomo tiene protones (+) en el núcleo y electrones (−) alrededor. En un átomo neutro hay igual cantidad de ambos y la carga total es cero. Cuando un material pierde electrones queda positivo; cuando gana electrones queda negativo. Eso es todo: tener carga es tener desbalance de electrones.

−

Electrón

Partícula con la mínima carga negativa libre en un cable. Es la que realmente se mueve en cobre. Carga: −1,6 × 10⁻¹⁹ C.

+

Protón

Está fijo en el núcleo, no viaja por cables. Su falta o exceso relativo define si algo se ve positivo o negativo.

C

Coulomb

La unidad para contar carga. 1 C = 6 240 000 000 000 000 000 electrones. En electrónica usamos mC y µC, no C enteros.

Dos reglas físicas bastan para este curso: cargas iguales se repelen, distintas se atraen, y la carga total se conserva (lo que sale de un lado entra en otro). Todo circuito que vas a montar es un juego de mover cargas sin perder ninguna en el camino.

De dónde viene la carga en cada caso.
SituaciónQué pasó con los electronesCarga resultante
Globo frotado que pega papelitosGanó electrones del peloNegativa (exceso)
Chispa al bajar del autoTu cuerpo acumuló y descargaSe neutraliza al tocar metal
Pila de 9 V sin conectarSeparó cargas por químicaUn borne +, otro −, lista para mover
Cable con LED encendidoElectrones circulando en loopCarga neta cero, flujo constante

03 · Propiedades

Tres propiedades que te salvan

1. Tiene signo
Positiva o negativa. El signo define quién atrae a quién y, más adelante, la polaridad (Temas 5 y 13). El LED solo deja pasar en un sentido por esto.
2. Se conserva
No aparece ni desaparece. Si entra carga a un nudo, sale la misma por otro lado. Esta idea es la semilla de la ley de corrientes (curso 2).
3. Está cuantizada
Viene en paquetes de 1 electrón. No existe “medio electrón”. Por eso la carga de un cuerpo es siempre un múltiplo entero de esa unidad mínima.
4. Se puede mover o quedar quieta
Quieta = electrostática (chispa, globo). En movimiento ordenado = corriente (Tema 4). En exceso acumulado = tensión esperando empujar (Tema 5).

Carga quieta

Estática

Acumulada sin camino: globo, pantalla con polvo, chispa. Mucha tensión por un instante, casi nada de energía útil. Peligrosa para chips (descarga electrostática).

Carga en movimiento

Dinámica

Circulando en un camino cerrado: LED encendido, motor girando. Poca tensión pero flujo sostenido. Es lo que usamos en este curso.

04 · Órdenes de magnitud

Cuánto es 1 coulomb (y por qué no lo usamos entero)

1 C es una enormidad: más de seis trillones de electrones. En la mesa de un programador trabajamos con milésimas y millonésimas de esa unidad. Acostumbrate a los prefijos desde ahora:

1 C→1 mC = 0,001 C→1 µC = 0,000001 C
Cuánta carga hay en casos reales de este curso.
CasoCarga / flujo típicoLectura
LED encendido normal20 mA = 0,02 C por segundo20 milicoulombs por segundo lo atraviesan
Pulsador leído por un pinMicroamperios (µA)Casi nada: solo informa, no alimenta
Pila AA de 2000 mAh≈ 7200 C en totalPuede entregar 2 A durante 1 hora (o 20 mA por 100 h)
Chispa del autoNanocoulombs en microsegundosPoquísima carga, pero susto grande

La fila de la pila AA merece una pausa: mAh es carga disfrazada de “capacidad”. 2000 mAh significa “2000 miliamperios durante una hora”. Multiplicado por 3600 segundos da coulombs. Vas a usar esta cuenta en el Tema 8 (energía) para estimar autonomía.

05 · Analogía programador

Carga, paquetes y tipos

Si la carga fuera código, sería un entero con signo que nunca se pierde: cada electrón es -1, cada hueco que deja es +1, y la suma total del programa siempre da lo mismo, solo cambia de variable.

  1. 1
    Carga = cantidad.

    Como un contador q en coulombs. Puede ser positiva, negativa o cero. El cero no es “nada”: es equilibrio.

  2. 2
    Electrón = paquete mínimo.

    Como un byte indivisible. No hay fracciones: o está o no está. Toda carga real es N × e.

  3. 3
    Conservación = invariante.

    Como un assert(total == constante) que la física garantiza. Si en tu modelo “desaparece” carga, el modelo está mal, no la física.

06 · Exploración

Laboratorio: cuánta carga se mueve

La relación que une este tema con el próximo es Q = I × t: carga = corriente × tiempo. Movete con valores reales de LED y pilas y mirá cuánta carga circula. Todavía no medimos nada: solo estimamos.

CALCULADORA 03

Carga que atraviesa tu LED

Q = I × t

Carga movida (Q)1,20 C
Electrones7,5 × 10¹⁸
Fracción de una AA (7200 C)0,017 %
LecturaUn pestañeo para la pila

Con 20 mA durante 60 s se mueve 1,20 C.

La carga crece con corriente y con tiempo. Un LED tenue por un minuto apenas “toca” la pila; un motor por una hora la vacía. Esa es la intuición que necesitás antes de hablar de corriente (Tema 4) y energía (Tema 8).

Preguntas para explorar

  1. Subí a 100 mA por 1 s y bajá a 5 mA por 20 s. ¿Cuál mueve más carga?
  2. ¿Cuántos segundos a 20 mA hacen falta para mover 1 C exacto?
  3. Si la carga se conserva, ¿a dónde “va” la que atraviesa el LED?
Ver respuestas sugeridas
  1. 100 mA × 1 s = 0,1 C; 5 mA × 20 s = 0,1 C. Empatan: corriente y tiempo compensan. Esa es la gracia de Q = I × t.
  2. 50 s, porque 0,02 A × 50 s = 1 C. Probalo en la calculadora.
  3. A ningún lado “definitivo”: sigue por el cable de vuelta a la pila. El LED le quitó energía, no electrones.

07 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«El cable gasta electrones»

No: el circuito es un loop cerrado. Los electrones salen de la pila, cruzan los componentes y vuelven. Si se “gastaran”, el cable se vaciaría y habría que rellenarlo.

«Positivo significa que hay electrones positivos»

No hay electrones positivos en este curso. Positivo significa faltan electrones ahí respecto de otro punto. Es una diferencia relativa, no una partícula nueva.

«Carga y energía son lo mismo»

No: la carga es lo que se mueve (C), la energía es lo que cuesta o entrega moverla (J). Confundirlas es como confundir “litros” con “nafta quemada”. Se atan en el Tema 8.

«Los electrones viajan a la velocidad de la luz»

La señal viaja rapidísimo, pero cada electrón avanza lento (deriva de mm/s). Cuando cerrás el interruptor, el LED prende al instante porque toda la fila empuja a la vez, como una manguera ya llena.

08 · Práctica guiada

Ejercicios de conteo y conservación

Ejercicio 1: signo de la carga

Un paño le arranca electrones a una lapicera de plástico. ¿Cómo queda cada uno? ¿Qué pasa si los acercás?

Ver solución razonada

La lapicera pierde electrones → queda positiva. El paño los gana → queda negativo. Al acercarlos se atraen (distintas se atraen) y, si se tocan, se neutralizan: la carga total sigue siendo la misma que al inicio.

Ejercicio 2: Q = I × t sin calculadora (casi)

Un LED consume 20 mA durante 50 s. ¿Cuánta carga lo atravesó? ¿Y si fueran 10 s a 100 mA?

Ver solución

20 mA = 0,02 A. 0,02 × 50 = 1 C. Segundo caso: 0,1 A × 10 s = 1 C también. Misma carga, distinto ritmo: el segundo brilla más fuerte pero menos tiempo.

Ejercicio 3: la pila no pierde electrones

Si los electrones vuelven a la pila, ¿por qué la pila “se agota”? Escribí tu hipótesis en el cuaderno antes de ver la respuesta.

Ver una posible respuesta

Lo que se agota es la reacción química que separa y empuja cargas, no los electrones. Cuando la química se equilibra, ya no hay empuje (tensión) aunque los cables sigan llenos de electrones quietos. Lo retomamos en Temas 5 y 18.

09 · Síntesis

Ideas para recordar

  • La carga es desbalance de electrones; se mide en coulombs y tiene signo.
  • Iguales se repelen, distintas se atraen; la carga total siempre se conserva.
  • Los electrones no se gastan: circulan en loop y entregan energía al pasar.
  • En electrónica trabajamos con mC y µC; mAh es carga guardada (pila).
  • Q = I × t une carga, corriente y tiempo: la base del próximo tema.

En el próximo tema la ponemos en movimiento: la corriente eléctrica, cuántos coulombs por segundo cruzan tu circuito y cuánta es mucha.