¿Qué es la Electrostática? Ejemplos naturales y uso diario de la electricidad estática

¿Qué es la electrostática?

Aunque desde la antigüedad los griegos habían observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar, podía atraer objetos pequeños. Posiblemente el primero en aproximarse a lo qué era la electrostática o electricidad estática, al realizar una observación científica de ese fenómeno, fue el sabio y matemático griego Thales de Mileto. Allá por el año 600 AC se percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco, aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.

Electrostática - Trozos de ámbar
Trozos de ambar

No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o carente de movimiento de diferentes signos. Es decir, una carga positiva (+) y la otra negativa (–). A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa ámbar.

Entonces, ¿qué es la electrostática?

Si queremos definir qué es la electrostática, podríamos decir que es un desequilibrio de cargas positivas y negativas entre dos objetos. En realidad lo que ocurre es que al frotar con un paño el ámbar, este último se electriza debido a que una parte de los electrones de los átomos que forman sus moléculas pasan a integrarse a los átomos del paño con el cual se frota.

De esa forma los átomos del ámbar se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones y los del paño en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones.

Electrostática - Frotar ámbar con paño
  • A- Trozo de ámbar y trozo de paño con las cargas eléctricas de sus átomos equilibradas.
  • B- Trozo de ámbar electrizado con carga estática positiva, después de haberlo frotado con el  paño.  Los  electrones del ámbar han pasado al paño, que con esa acción éste adquiere carga negativa.

Para que los átomos del cuerpo frotado puedan restablecer su equilibrio atómico, deben captar de nuevo los electrones perdidos.

Para eso es necesario que atraigan otros cuerpos u objetos que le cedan esos electrones. En electricidad estática, al igual que ocurre con los polos de un imán, las cargas de signo diferente se atraen y las del mismo signo se repelen.

Vamos a ver ejemplos de electricidad estática, tanto en la naturaleza como en la vida diaria.

Experiencia con un peine y papeles

Electrostática - Prueba del peine y los papelitos
Experimento del peine y los papeles
  • A- Montoncitos de papeles recortados.
  • B- Peine cargado electrostáticamente con defecto de electrones. después  de  habernos  peinado  con  el  mismo.
  • C- Los  papelitos  son  atraídos  por  el  peine restableciéndose,  de esa forma, el equilibrio electrónico de los átomos que lo componen, los papeles le ceden a éste los electrones que perdieron al pasárnoslo por el pelo.

La electrostática en la naturaleza

Una manifestación de carga eléctrica estática la tenemos en las nubes cuando se generan tormentas eléctricas con rayos. Cuando una nube se encuentra completamente ionizada o cargada positivamente, se establece un canal o conducto natural que es capaz de atraer iones cargados negativamente desde la Tierra hasta la nube.

Cuando los iones negativos procedentes de la Tierra hacen contacto con la nube, se produce el rayo al liberar ésta la enorme carga de corriente eléctrica estática acumulada.

Electricidad estática en la naturaleza - Los rayos
Electrostática en la naturaleza – tormentas eléctricas

Otro ejemplo de electricidad estática lo tenemos en los vehículos, que al desplazarse a través de la masa de aire que lo rodea, adquieren carga estática. Cuando eso ocurre podemos llegar a sentir la electricidad estática en el cuerpo. Lo que se siente es una descarga o calambrazo eléctrico al tocar alguna de las partes metálicas del vehículo.

Ejemplo de uso de la electrostática en la vida diaria

Las máquinas fotocopiadoras e impresoras láser hacen uso práctico de la eléctricidad estática.

Electricidad estática - Impresora laser

Su principio de funcionamiento se basa en que un rayo de luz ilumina la imagen o texto por medio de un proceso de escaneo y la transfieren a un tambor fotosensible como carga estática.

El polvo de impresión o toner, que posee características magnéticas, al pasar al tambor se adhiere a las partes sensibilizadas por el rayo de luz. A continuación cuando el papel pasa por el tambor fotosensible, el polvo del toner se desprende y se adhiere a su superficie, transfiriendo así todo el contenido del tambor.

Para que el polvo del toner no se desprenda del papel antes de salir de la fotocopiadora o impresora, se hace pasar por un rodillo caliente que se encarga de fijarlo de forma permanente.

Pueden ver en detalle cómo funciona una impresora laser aquí.

Diferencias entre electricidad estática y dinámica

Cuando hablamos de electricidad, una de las formas en que podemos clasificarla es en estática y dinámica. La electricidad estática, como su nombre lo indica, contiene electrones estáticos o en reposo y se da cuando los electrones se acumulan en un punto determinado de un material.

Cuando un cuerpo adquiere una carga, ya sea positiva en el caso que pierde electrones o negativa en el caso que los gane, afecta a los demás cuerpos que se encuentran alrededor atrayéndolos o repeliéndolos; este efecto dependerá de la carga del cuerpo:

  • Cargas iguales se repelen (+ +)
  • Cargas diferentes se atraen (+ -)

Si un cuerpo está cargado (tiene exceso de electrones), debe volver a su estado de equilibrio, y esto lo logra descargándose. Es decir, pasa el exceso de electrones a otro cuerpo, a través del desprendimiento de energía, ya sea en forma mecánica o por chispas, vimos los ejemplos anteriormente.

El proceso por el cual un cuerpo adquiere carga se llama inducción electrostática.

Como ya lo dijimos, cuando cargamos un material lo que en realidad estamos haciendo es pasar electrones libres de un átomo a otro, y la forma más sencilla de realizarlo es por frotamiento.

Algunas veces, la acumulación de cargas resulta peligrosa. Por ejemplo, en los camiones que transportan gas, porque el movimiento del camión hace que el aire roce en él. Es decir, el aire le pasa electrones al camión por medio de fricción y lo carga electrostáticamente, por lo que cualquier chispa podría provocar una catástrofe. Por esa razón, estos vehículos llevan arrastrando una cadena en la parte inferior, así el exceso de electrones se descarga a tierra.

No necesariamente debe existir contacto directo entre dos materiales para que estos se descarguen; muchas veces, cuando un cuerpo se encuentra muy cargado, los electrones saltan de un material a otro produciendo un arco eléctrico entre ellos.

Un ejemplo son las nubes que, al frotarse con las moléculas de aire, adquieren carga eléctrica y, por lo tanto, buscarán una salida para este exceso de electrones.

Entonces, se produce lo que conocemos como rayos. Los rayos transportan gran energía y pueden llegar a ser muy peligrosos si no se les proporciona una ruta más corta a tierra. Por ello se hace uso de los pararrayos que son muy efectivos para dar esta salida.

El término dinámico significa ‘movimiento’; cuando hablamos de electricidad dinámica, nos referimos a los electrones en movimiento.

Para que la electricidad sea realmente útil, debe encontrarse en movimiento, y la fuente que genere este tipo de electricidad debe tener sus cargas eléctricas en constante renovación.

Un cuerpo puede adquirir carga electrostática y, al entrar en contacto con otro objeto, se descarga. Es decir, entra en equilibrio, pues generar energía dinámica tiene como fin que, cuando los electrones pasen de un cuerpo a otro, aun existan más electrones.

De esta forma, la electricidad será realmente útil y podremos aplicarla en diferentes ámbitos. Por ejemplo, encender una lámpara, un televisor, un celular, etcétera.

En 1799, el conde italiano Alessandro Volta inventó la pila eléctrica. Volta se dio cuenta de que, mediante la acción química, se podían renovar constantemente las cargas. Es decir, los electrones que salen del terminal negativo de la batería son electrones libres y entran en contacto con el conductor (por ejemplo cobre).

Estos electrones libres entran en las bandas de valencia del cobre y desplazan los electrones que ahí se encuentren; así pues ese electrón desplazado entra en otro átomo y desplaza a otro electrón; esto se hace en un ciclo en cadena hacia el terminal positivo de la batería donde se anulan las cargas.

La unidad de medición de los electrones que circulan a través de un circuito es el coulomb, nombre que se le dio en honor a Charles-Augustin de Coulomb. El coulomb representa 6.28X10^18 electrones por segundo.

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