La carga eléctrica está a su alrededor, pero realmente solo lo nota en raras ocasiones, como cuando su cabello se pone de punta después de quitarse 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 de electricidad estática, algo que probablemente aprendiste cuando eras niño. Pero, ¿cómo hace que la carga estática te ponga los pelos de punta y por qué puede darte una descarga estática?
¿Qué sucede 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.
Los fundamentos de la carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. Está separada en cargas positivas y cargas negativas, y aunque algunas partículas son eléctricamente neutras, como el neutrón, en realidad están compuestas de partículas aún más fundamentales que llevan una carga eléctrica. Las dos partículas cargadas más importantes que debe conocer cuando aprenda 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 + e La regla fundamental de cómo funciona la carga eléctrica es que las cargas opuestas se atraen y las cargas similares se repelen. Entonces, si acercaste un electrón a otro electrón, se separarían, mientras que si acercas un electrón a un protón, se sentiría atraído por él. Como mínimo nivel, 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 crea potencial eléctrico, lo que significa que existe la posibilidad de que la corriente eléctrica fluya (reequilibre la carga) debido a las posiciones de carga. llevando partículas. En los átomos, y por extensión en la mayoría de los objetos cotidianos, existe un equilibrio entre las cargas positivas y negativas (es decir, entre los protones y los electrones), por lo que son eléctricamente neutros cuando se consideran todos juntos. Entonces, si acercas un átomo a otro, no habrá fuerza eléctrica entre ellos porque todas las cargas positivas se compensan con cargas negativas, por lo que no hay carga neta para generar una fuerza. Si bien es realmente un poco más complicado que esto (debido a que los electrones siempre se mueven, por lo que no siempre bloquean la carga positiva de los protones), esta situación neutral crea un claro contraste con lo que sucede cuandohay una acumulación de carga estática. En esencia, cuando un objeto (como su cabello después de frotarle un globo) gana un exceso o un déficit de carga (más o menos electrones que en su estado normal) ), ya no es neutral y puede generar lo que usted llama electricidad estática. Por el contrario, la electricidad ordinaria es un movimiento continuo de carga (en forma de electrones en una corriente eléctrica), mientras que la electricidad estática no implica movimiento hasta que las cargas se reequilibran entre sí: ¡y posiblemente le brinde un fuerte golpe en el proceso! La electricidad estática depende fundamentalmente de un desequilibrio entre las cargas positivas y negativas, pero en realidad solo los electrones se mueven para crear esto. desequilibrio. En un átomo, los protones están fuertemente 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 el exterior del núcleo. Debido a que estas partículas más ligeras están en el exterior, cuando un objeto hace contacto con otro, son los electrones los que pueden transferirse entre ellos, y frotarlos juntos aumenta la tasa de acumulación de carga. 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 ciertos situaciones Un conductor que recibe electrones adicionales no retiene una 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 estática crea rápidamente un desequilibrio de carga notable y, por lo tanto, genera electricidad estática. Porque las cargas similares se repelen y las cargas opuestas se atraen, cuando algo tiene una carga estática. se adherirá a elementos con carga opuesta, y a veces también puede polarizar átomos en un objeto neutro y adherirse a él, de la misma manera que un globo se adhiere a una pared después de frotarlo en su cabeza. Si la carga la acumulación 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 un golpe de la descarga estática si frota los pies por el piso y luego toca el pomo de la puerta. Hay muchos ejemplos de electricidad estática que encuentro en la vida cotidiana, incluso si no necesariamente piensa 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 el ideal condiciones para que se desarrolle la electricidad estática, y también implica que la ropa se roce entre sí y potencialmente recoja electrones adicionales en el camino. El choque estático de la ropa cargada de esta manera tiende a ser bastante pequeño, ¡pero definitivamente lo notas cuando obtienes uno! 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 una correa fotoconductora (es decir, sensible a la luz), y cuando la correa gira, recoge partículas de tóner con carga negativa debido a la carga estática. Debajo de esto, otra correa trae una hoja de papel, dándole una fuerte carga estática positiva en el proceso. Cuando las cargas negativas del tóner se encuentran con las cargas positivas del papel, el tóner se imprime en el trozo de papel, en el mismo patrón que la sombra captada por el cinturón fotoconductor. Otro ejemplo debería llevarlo de vuelta a una clase de física en la escuela: el generador Van de Graaff y la demostración clásica en la que alguien tocando la esfera se pone los pelos de punta. El generador funciona según el movimiento de las cargas eléctricas estáticas, con una correa en movimiento 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 se extiende hacia el gran domo en la parte superior. ¡Si tocas la cúpula durante el proceso de carga, los mechones individuales de tu cabello recogen cargas coincidentes y se repelen entre sí, haciéndolo ponerse de punta! Los rayos son una demostración muy dramática del poder de la electricidad estática, y Benjamin Franklin demostró esto en una de las demostraciones científicas más conocidas de todos los tiempos atando una llave a una cuerda de cometa húmeda durante una tormenta eléctrica. Si bien es un mito que el La cometa en realidad fue alcanzada por un rayo (esto probablemente habría matado a Franklin), el campo eléctrico de la tormenta fue recogido por la cuerda que, al igual que la clásica demostración del generador Van de Graaff, hizo que los hilos de la cuerda se pararan final. Finalmente, Franklin tocó la tecla y sintió el golpe de una descarga estática, lo que demuestra 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 juntan con las gotas de agua de una masa de aire caliente. La carga se acumula en diferentes lugares de la nube, y cuando hay una diferencia suficientemente alta en el potencial eléctrico entre estos lugares (es decir, un voltaje suficientemente alto), se libera en forma de un rayo. Esto generalmente ocurre dentro de las nubes o entre dos nubes, pero ocasionalmente el rayo golpeará el suelo. La acumulación de carga estática causada por fricción y roce es técnicamente llamado efecto triboeléctrico, y en base a este artículo ya conoce los detalles de lo que causa esto 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 desarrolle un déficit de electrones y, por lo tanto, una carga neta positiva. Sin embargo, el grado en que diferentes Los materiales recogen carga negativa o pierden electrones y obtienen una carga positiva que varía según las características del material. Mientras que los aislantes generalmente son mejores para recoger la carga estática, diferentes aislantes la recogen a diferentes velocidades. Por ejemplo, la mayoría de los tipos de caucho, y en particular el teflón, recogen electrones muy fácilmente 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 pone en orden diferentes materiales en función de su capacidad para recoger un positivo o una carga estática negativa. Los artículos colocados hacia la parte superior de la serie triboeléctrica son propensos a recoger una carga positiva, mientras que los de la parte inferior tienen más probabilidades de ganar electrones y, como resultado, una carga negativa. Cuanto mayor sea la separación entre dos elementos en la serie triboeléctrica, más que frotarlos juntos creará una carga estática en ambos. Mientras que la mayoría de las demostraciones de electricidad estática son exhibiciones divertidas o curiosidades menores que encuentra en la vida cotidiana, es importante recordar que la carga estática no deseada puede tener serias consecuencias. Por ejemplo, una sola chispa de la electricidad estática puede encender líquidos inflamables o gases y potencialmente resultan en una explosión. La acumulación de electricidad estática al deslizarse por el asiento del automóvil podría incluso causar un problema a la hora de rellenar el gas, por lo que siempre debe tocar la parte metálica del automóvil antes de llenarlo. Por supuesto, la mayor parte del tiempo la electricidad estática es realmente un fenómeno interesante, pero comprender cómo funciona puede ayudarlo a evitar una catástrofe en algunas situaciones.
, mientras que los electrones están cargados negativamente en - e
, donde e
\u003d 1.602 × 10 - 19 C. La C aquí significa coulombs, que es La unidad SI para carga eléctrica. El 10 - 19 le dice que las partículas cargadas tienen valores de carga muy pequeños en comparación con un culombio: dos cargas de solo 1 C separadas por un metro generarían una fuerza mayor que el empuje de ¡El impulso de lanzamiento del cohete Saturno V!
Definición de electricidad estática
Cómo funciona la electricidad estática
Ejemplos de electricidad estática
Experimento Kite de Benjamin Franklin
Serie Triboeléctrica
Los peligros de la electricidad estática
