Electricidad estática: definición, cómo funciona, hechos (con ejemplos)

La carga eléctrica está a tu alrededor, pero solo la notas en raras ocasiones, como cuando tu cabello se pone de punta después te quitas un sombrero o cuando recibes un golpe fuerte cuando extiendes la mano para tocar algo después de frotar tus pies a lo largo de la alfombra.

Estos dos fenómenos son ejemplos deelectricidad estática, algo que probablemente aprendiste cuando eras niño. Pero, ¿cómo la carga estática te pone los pelos de punta y por qué puede darte una descarga estática?

¿Qué está sucediendo realmente a nivel atómico que produce estas experiencias universales? Conocer los detalles sobre la electricidad estática le brinda una visión mucho más detallada de esta fascinante propiedad de la materia.

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. Se divide en cargas positivas y cargas negativas, y aunque algunas partículas son eléctricamente neutrales, como el neutrón, en realidad se componen de incluso más fundamentales partículas quehacerllevar una carga eléctrica.

Las dos partículas cargadas más importantes que debes conocer cuando aprendes sobre la electricidad estática son dos de los componentes principales de un átomo: protones y electrones.

Los protones están cargados positivamente, con una carga de +mi, mientras que los electrones están cargados negativamente en -mi, dóndemi​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. La C aquí significaculombios, que es la unidad SI para carga eléctrica. El 10⁻¹⁹ te dice que las partículas cargadas tienenmuy pequeñavalores de carga en comparación con un culombio: ¡dos cargas de solo 1 C separadas por un metro generarían una fuerza mayor que el empuje del lanzamiento del cohete Saturno V!

La regla fundamental de cómo funciona la carga eléctrica es que las cargas opuestas se atraen y las cargas similares se repelen. Entonces, si acercara un electrón a otro electrón, se separarían, mientras que si acercara un electrón a un protón, se sentiría atraído por él.

En el nivel más básico, la electricidad estática simplemente se refiere a cargas que no se mueven. Sin embargo, ¡hay mucho más que eso! La clave de la electricidad estática es que ocurre cuando hay un desequilibrio de carga, y este desequilibrio esencialmente creapotencial eléctrico, lo que significa que existe la posibilidad de que la corriente eléctrica fluya (para reequilibrar la carga) debido a las posiciones de las partículas portadoras de carga.

En los átomos, y por extensión en la mayoría de los objetos cotidianos, existe un equilibrio entre lo positivo y lo negativo. cargas (es decir, entre los protones y los electrones), por lo que son eléctricamente neutrales cuando se consideran todos juntos.

Entonces, si acercara un átomo a otro, no habría fuerza eléctrica entre ellos porque todos de las cargas positivas se compensan con cargas negativas, por lo que no hay una carga neta para generar una fuerza.

Si bien en realidad es un poco más complicado que esto (porque los electrones siempre se mueven, por lo que nosiemprebloquear la carga positiva de los protones), esta situación neutra crea un claro contraste con lo que sucede cuando hay una acumulación de carga estática.

En esencia, cuando un objeto (como tu cabello después de frotar un globo sobre él) gana un exceso o un déficit de carga (así que más o menos electrones que en su estado ordinario), entonces ya no es neutral y puede generar lo que usted llama estática. electricidad. Por el contrario, la electricidad ordinaria es unmovimiento continuode carga (en forma de electrones en una corriente eléctrica), mientras que la electricidad estática no implica movimientoHasta quelas cargas se reequilibran entre sí, ¡y posiblemente te den un fuerte golpe en el proceso!

La electricidad estática depende fundamentalmente de un desequilibrio entre las cargas positivas y las cargas negativas, pero en realidad son solo los electrones los que realmente se mueven para crear este desequilibrio.

En un átomo, los protones están estrechamente unidos en el núcleo (junto con los neutrones), y ambos son considerablemente más pesados ​​que los electrones cargados negativamente que permanecen en una "nube" alrededor del exterior del núcleo.

Debido a que estas partículas más ligeras están en el exterior, cuando un objeto entra en contacto con otro, es el electrones que pueden transferirse entre ellos, y frotándolos juntos aumenta la tasa de carga construir. Entonces, si un objeto recoge electrones adicionales, se carga negativamente, mientras que si pierde electrones, se carga positivamente.

Los materiales aislantes mantienen bien una carga estática, mientras que un buen conductor solo mantendrá una carga estática en ciertas situaciones. Un conductor con electrones adicionales no tiene carga estática porque los electrones pueden fluir libremente por todo el material (que es la definición de un buen conductor).

Por lo tanto, cualquier acumulación de carga se disipa demasiado rápido para crear una electricidad estática notable y puede transferirse a otros objetos a menos que esté completamente aislado del resto del entorno. Debido a que la corriente no puede fluir en un aislante, la acumulación de electricidad estática crea rápidamente un desequilibrio de carga notable y, por lo tanto, genera electricidad estática.

Debido a que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, cuando algo tiene una carga estática, se adhiere a elementos con carga opuesta, y a veces también puedepolarizarátomos en un objeto por lo demás neutral y se adhieren a él también, de la misma manera que un globo se adhiere a una pared después de que lo frotas en tu cabeza.

Si la acumulación de carga es lo suficientemente grande y se logra un voltaje relativamente alto entre las dos superficies u objetos, la carga puede saltar de un objeto a otro. Esta es la razón por la que puede recibir una descarga de la descarga estática si frota sus pies en el piso y luego toca el pomo de una puerta.

Hay muchos ejemplos de electricidad estática que encontrará en la vida cotidiana, incluso si no piensa necesariamente en el papel que desempeña la carga estática en su funcionamiento.

Un ejemplo particularmente común es la adherencia estática en la ropa, especialmente después de usar la secadora, que mantiene las condiciones ideales para que se desarrolle electricidad estática, y también implica que la ropa se frote entre sí y que potencialmente recoja electrones adicionales en el camino. La descarga estática de la ropa cargada de esta manera tiende a ser bastante pequeña, ¡pero definitivamente la notarás cuando recibas una!

Las fotocopiadoras son un gran ejemplo de cómo se puede aprovechar la electricidad estática. La luz brillante que escanea el documento crea una "sombra" eléctrica de la imagen en un fotoconductor (p. Ej. sensible a la luz) y, a medida que gira, recoge partículas de tóner cargadas negativamente debido a la electricidad estática. cargo.

Debajo de esto, otra cinta trae una hoja de papel, lo que le da una fuerte carga estática positiva en el proceso. Cuando las cargas negativas del tóner se encuentran con las cargas positivas del papel, el tóner imprime sí mismo en la hoja de papel, en el mismo patrón que la sombra captada por el fotoconductor cinturón.

Otro ejemplo debería llevarte a una clase de física en la escuela: el generador de Van de Graaff, y la demostración clásica en la que alguien que toca la esfera tiene los pelos de punta. El generador funciona basado en el movimiento de cargas eléctricas estáticas, con una correa móvil que recorre la longitud del dispositivo y dos “peines” metálicos para controlar la carga estática.

Un peine con carga positiva en la parte inferior (conectado a un suministro de electricidad) extrae electrones del cinturón, dejándolo con una carga neta positiva, y esta carga es recogida por un peine en la parte superior, que la extiende a la gran cúpula en el cima. Si toca la cúpula durante el proceso de carga, las hebras individuales de su cabello recogen cargas iguales y se repelen entre sí, ¡poniéndolas de punta!

Los rayos son una demostración muy dramática del poder de la electricidad estática, y Benjamin Franklin lo demostró en una de las demostraciones científicas más conocidas de todos los tiempos al atar una llave a una cuerda de cometa mojada durante una tormenta.

Si bien es un mito que la cometa fue alcanzada por un rayo (esto probablemente habría matado a Franklin), el campo eléctrico del La tormenta fue recogida por la cuerda, que, al igual que la demostración clásica del generador de Van de Graaff, hizo que las hebras del hilo se final. Finalmente, Franklin tocó la tecla y sintió el golpe de una descarga estática, demostrando claramente el vínculo entre la electricidad y los rayos.

Por supuesto, los científicos han completado muchos más detalles sobre el proceso desde los días de Benjamin Franklin. Al igual que la ropa que se frota entre sí en la secadora o un globo que se frota contra el cabello, la carga estática que crea un rayo proviene de la fricción y de los cristales de hielo en el aire frío que se encuentran con las gotas de agua de un aire caliente masa.

La carga se acumula en diferentes lugares de la nube y cuando hay una diferencia suficientemente alta en potencial eléctrico entre estos lugares (es decir, un voltaje suficientemente alto), se libera en forma de un rayo. Esto suele ocurrirdentronubes o entre dos nubes, pero ocasionalmente el rayo golpeará el suelo.

La acumulación de carga estática causada por la fricción y el roce se denomina técnicamente efecto triboeléctrico, y con base en este artículo ya conoce los detalles de lo que causa este y cómo funciona. Los objetos que entran en contacto entre sí hacen que uno de ellos recoja electrones adicionales (todos con cargas negativas) y el otro desarrollando un déficit de electrones y por lo tanto una red positiva cargo.

Sin embargo, el grado en que los diferentes materiales recogen carga negativa o pierden electrones y obtienen una carga positiva varía según las características del material. Si bien los aisladores son generalmente mejores para recoger la carga estática, diferentes aisladores la recogen a diferentes velocidades.

Por ejemplo, la mayoría de los tipos de caucho, y en particular el teflón, captan electrones con mucha facilidad y, como tales, son excelentes para demostraciones y piezas de tecnología que dependen de la electricidad estática. Los materiales difieren en función de su "electronegatividad", que básicamente significa su afinidad electrónica o su tendencia a recogerlos de otros objetos.

La serie triboeléctrica ordena diferentes materiales en función de su capacidad para recoger una carga estática positiva o negativa. Los elementos colocados hacia la parte superior de la serie triboeléctrica son propensos a recoger una carga positiva, mientras que aquellos en la parte inferior tienen más probabilidades de ganar electrones y recoger una carga negativa como un resultado. Cuanto mayor sea la separación entre dos elementos de la serie triboeléctrica, más se creará una carga estática al frotarlos entre sí.

Si bien la mayoría de las demostraciones de electricidad estática son exhibiciones divertidas o curiosidades menores que encuentro en la vida cotidiana, es importante recordar que la carga estática no deseada puede tener graves Consecuencias.

Por ejemplo, una sola chispa de electricidad estática puede encender líquidos o gases inflamables y potencialmente resultar en una explosión. La acumulación de estática al deslizarse por el asiento del automóvil podría incluso causar un problema cuando viene a recargar su gasolina, por lo que siempre debe tocar la parte metálica del automóvil antes de llenar arriba.

Por supuesto,la mayoríaEn la mayoría de los casos, la electricidad estática es realmente un fenómeno interesante, pero comprender cómo funciona puede ayudarlo a evitar una catástrofe en algunas situaciones.