El mundo de la electricidad es apasionante. Desde el funcionamiento de una batería hasta la emisión de neuronas dentro del cuerpo humano, este conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas nos permiten, como seres vivos, pensar, movernos y existir.
A nivel social, la electricidad también nos ha brindado una cantidad inestimable de recursos: transporte, iluminación, climatización y computación, que se dice pronto.
Resulta muy curioso conocer que todas las células vivas de nuestro cuerpo tienen una carga eléctrica propia. Como la concentración de sales es diferente en el medio intracelular y el extracelular (calcio, cloro, sodio, potasio, etc) se establece entre ambos medios una carga eléctrica y diferencia de potencial, término conocido como “potencial de membrana”.
La variación en los potenciales de membranas en las células corporales nos permiten desde pensar (sinapsis eléctrica a nivel neuronal) hasta contraer un músculo voluntario, debido a la transmisión de potenciales de acción y la hiperpolarización o despolarización en cada proceso específico. Como ves, la electricidad va mucho más allá de una batería: quédate con nosotros y descúbrelo todo sobre la presión electrostática.
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¿Cuáles son las bases de la electrostática?
La electrostática se define como aquella rama de la ciencia que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas. Todos los objetos de la Tierra están compuestos por átomos, unidades mínimas constituyentes de la materia con las propiedades de un elemento químico. En reposo, las cargas positivas del núcleo atómico (un 99,94% del peso total) se equilibran con las negativas de los electrones circundantes, así que se considera que el objeto está en reposo.
Cuando un átomo pierde o gana electrones, adquiere una carga eléctrica positiva o negativa. Por convención común, cuando un átomo pierde uno o más electrones se considera “cargado positivamente” (ya que los protones tienen carga positiva y son más en número que los electrones negativos), mientras que si el átomo integra electrones, pasa a tener una carga negativa. A partir de aquí, ambos reciben el nombre de iones, ya sean estos positivos o negativos.
Cuando un átomo o molécula adquiere una carga, pasa automáticamente a ser influida por los campos electromagnéticos y a generarlos por sí misma. Con base en esta premisa, podemos describir muchísimos fenómenos biológicos, como los enlaces químicos. Por ejemplo, el enlace iónico, que consiste en la transmisión de electrones de un átomo metálico (menos electronegativo) hacia los no metálicos (más electronegativos).
¿Qué es la presión electrostática?
Entrando en harina, nos tememos que no te podemos dar una definición muy exacta de este término, pues parece estar ligeramente en desuso en la comunidad científica. Diversos portales utilizan la palabra “presión electrostática” para designar la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre partículas con distinta o idéntica carga eléctrica, respectivamente.
Si acogemos este término, veremos que el más correcto para referirse a este fenómeno electrostático es “fuerza eléctrica”. La fuerza eléctrica o presión electrostática será, entonces, la fuerza que aparece entre dos o más cargas, cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa (y el signo depende de cada carga). Este conglomerado terminológico se puede resumir en los siguientes puntos:
- Los átomos o moléculas cargadas sufren una fuerza de atracción o repulsión al aproximarse. Dos iones con la misma carga se repelen, pero si uno es positivo (+) y otro negativo (-) se acercan.
- El valor de la fuerza o presión electrostática es proporcional al producto del valor de sus cargas.
- Por otro lado, el valor de esta fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa a los átomos cargados y actúa en la dirección de la recta que los une.
A día de hoy, estas postulaciones asentadas en el ámbito de la física se engloban bajo el paraguas de la Ley de Coulomb, enunciada por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb en el año 1785. Estas postulaciones se pueden recoger en la siguiente fórmula:
En esta fórmula, F hace referencia a la fuerza eléctrica total o presión electrostática, k es la constante de Coulomb, q1 y q2 son los valores de las cargas de los átomos citados (en culombios) y r la distancia entre ambas cargas en metros al cuadrado. Como apunte, cabe destacar que la unidad “coulomb” o “culombio” se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.
El resultado buscado (F) representa la fuerza de atracción o repulsión en Newtons entre ambos átomos o moléculas cargadas eléctricamente. La fuerza eléctrica o presión electrostática es una magnitud vectorial, así que, además de calcular el módulo, también se deben estimar su dirección y sentido. Si solo tenemos dos átomos en juego, la dirección de la fuerza eléctrica será en consonancia a la recta que une ambas cargas. Por otro lado, dependiendo del signo del átomo, el sentido puede ser de atracción (+/-) o de repulsión (+/+, -/-).
Con base en todas estas premisas, se pueden sacar una serie de conclusiones tan claras como fascinantes: las cargas con el mismo signo experimentan una fuerza eléctrica que las tiende a separar, las cargas con signo distinto sufren una fuerza que las tiende a unir y, cuanto más cercanos se encuentran los átomos cargados, el módulo de la fuerza eléctrica de atracción o repulsión es mayor.
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Limitaciones de la ley de Coulomb
A pesar de resultar una revolución en su día y continuar vigente a día de hoy, cabe destacar que la ley de Coulomb también reporta ciertas limitaciones. Entre ellas, encontramos las siguientes:
- Las cargas deben presentar una distribución simétrica de forma esférica.
- Las cargas no deben superponerse.
- Las cargas deben ser estacionarias una respecto a la otra.
- Para distancias muy pequeñas (del orden del tamaño de los átomos), la fuerza electrostática se ve superada por otras, como las fuerzas nucleares fuertes o débiles.
La utilidad biológica de la presión electrostática
El hecho de que existan átomos positivos y negativos no es útil solo a nivel de conocimiento. Por ejemplo, los iones son esenciales en el funcionamiento de los sistemas biológicos, a nivel tanto muscular como neurológico y de todas las labores orgánicas. Veamos un caso concreto en el que el potencial eléctrico se transforma en actos tangibles.
Cuando un músculo está en reposo, las fuerzas de atracción entre la actina y miosina que lo componen se encuentran inhibidas. Si desarrollamos el deseo de realizar un movimiento concreto (como es el de fruncir el ceño), emitimos a nivel del cerebro un potencial de acción (una onda de descarga eléctrica) que viaja mediante sinapsis neuronales hasta la membrana de la neurona motora (motoneurona) relacionada con ese músculo que queremos contraer.
Estos potenciales eléctricos provocan que la motoneurona libere un mensaje químico al tejido muscular, transformándose esta orden en la liberación de acetilcolina que se une a los receptores de la membrana del músculo. Este cambio de potencial de membrana en la superficie muscular permite la apertura de canales dependientes de iones dentro de las células, lo que se traduce en una entrada masiva de iones de calcio (Ca 2+) tras una serie de pasos, cambiando la conformación de la actina y miosina musculares y permitiendo la contracción.
Resumen
Como puedes observar, las presiones electrostáticas o fuerzas eléctricas están en todas partes. La electricidad no solo modula el comportamiento de una bombilla o de una pila, sino que, en el sentido más amplio de la palabra, nos permite transmitir señales nerviosas a todas las partes de nuestro cuerpo y responder a los estímulos ambientales de la forma más eficaz posible.
Al final, todo es un juego de cargas: los átomos o moléculas con la misma carga se repelen, mientras que aquellos con cargas diferentes se ven atraídos, idealmente con una fuerza en dirección lineal que será mayor cuanto más cerca estén ambos cuerpos. Con estas premisas, podemos describir enlaces como los iónicos y los covalentes o el propio potencial de las membranas celulares, por ende, la vida misma y la organización atómica de los seres vivos. Sin duda, sin la electricidad no somos nada.
