EF III: Electricidad estática y cargas eléctricas. La ley de Coulomb
En el capítulo II de Electricidad Fácil hablamos de materiales conductores de la electricidad, de semiconductores y de aislantes. También definimos corriente eléctrica: vimos cómo circula esta dentro del cable eléctrico sin llegar al exterior gracias al aislante.
Se dijo en el primer capítulo que la electricidad es un fenómeno relacionado con el movimiento de los electrones. Pues bien, en este capítulo hablaremos de otro tipo de electricidad. Descubriremos la electricidad estática y las cargas eléctricas.
¿Qué es la electricidad estática?
Sabemos que en un material conductor los electrones libres pueden saltar de átomo en átomo en la misma dirección. Ese movimiento ordenado de electrones es la corriente eléctrica. Al estudio del flujo de electrones y los efectos que produce lo llamamos electricidad.
Existe, sin embargo, otro tipo de electricidad en la cual no hay movimiento: la electricidad estática. La palabra estática procede del griego στατικός y se escribe statikos en nuestro alfabeto. Esta voz quiere decir 'estacionario'; es decir, sin movimiento.
Por tanto, la electricidad estática es un tipo de electricidad en la que no hay flujo/corriente de electrones.
Átomos, iones y carga eléctricas
Como ya vimos, los electrones libres pueden ser expulsados de su órbita si un átomo cercano los atrae. Cuando un electrón abandona el átomo, este queda con carga positiva si el número de protones en el núcleo es mayor que el de electrones en órbita. A este tipo de átomo lo llamamos ion positivo.
Por el contrario, si en un átomo hay más electrones que protones, su carga negativa y a ese átomo lo llamamos ion negativo. ¿Y si hubiese tantos electrones como protones? Pues dicho átomo no tiene carga: decimos que está en equilibrio eléctrico.
Pues bien, cuando en un material se concentran iones del mismo tipo —es decir, de igual carga—, afirmamos que ese material tiene carga eléctrica positiva o negativa. El estudio de las cargas eléctricas sin movimiento y los fenómenos causados por ellas es la electricidad estática.
Cargas eléctricas
Aprendimos en EF I que la voz electricidad venía de la palabra griega elektron. Los griegos usaron este término para referirse al ámbar, un tipo de resina vegetal fosilizada. En esta sección descubriremos qué ocurre al frotar ámbar con un paño.
Cargas negativas
Si se roza una barra de ámbar con una pieza de tela, algunos electrones libres del paño pasan a los átomos de la resina fósil. De resultas, los átomos quedan cargados con un exceso de electrones. He aquí un ejemplo de carga negativa.
Si frotamos un bolígrafo de plástico con el paño, también este gana carga negativa. Los materiales con carga negativa atraen a objetos de carga positiva. Si acercamos el bolígrafo a unos trocitos de papel, veremos que estos se pegan a él. Parece que el bolígrafo fuera un imán.
Los griegos observaron que con el ámbar ocurría lo mismo. (En aquel entonces no existía el papel —se inventó en China en el siglo i d. C.—, pero observaron que el ámbar cargado atraía trocitos pequeños de hojas secas de árboles).
Cargas positivas
Al perder electrones libres, el átomo a veces se queda con más protones que electrones. En ese caso ocurre lo opuesto al ejemplo anterior: el átomo queda con carga positiva. Cuando en un material los átomos quedan con exceso de protones, decimos que su carga es positiva.
En general, las cargas eléctricas positivas o negativas se dan solo en materiales no conductores; es decir, en aislantes. ¿Por qué no en conductores? Su carga se neutralizaría rápidamente por la acción de los electrones libres.
¿Cómo se forman las cargas eléctricas?
Al frotar dos materiales de distinta naturaleza, se transfieren electrones de uno al otro. En efecto, una causa común de las cargas estáticas es la fricción.
Los electrones pasan del paño al ámbar por fricción. Otros ejemplos de materiales en los cuales se da electricidad estática por fricción son la goma, el cristal, la cera, la franela, el fieltro y el tejido sintético de poliéster.
Por otro lado, en la atmósfera pueden producirse cargas eléctricas cuando hay nubes de tormenta —también se dan en condiciones climatológicas más favorables—. La diferencia de cargas eléctricas entre dos nubes, o entre una nube y el suelo, pueden dar lugar a los rayos (relámpagos).
Otra fuente común de electricidad estática son los antiguos televisores y monitores de rayos catódicos. Los campos eléctricos generados por estos dispositivos son el porqué de la atracción del polvo doméstico por la pantalla.
Vamos a ver enseguida qué son los campos eléctricos. Pero antes debemos conocer los fenómenos de atracción y de repulsión que se dan entre los distintos tipos de cargas eléctricas.
Atracción y repulsión de cargas eléctricas
Entre cargas eléctricas de diferente signo —es decir, positiva y negativa— existe una fuerza de atracción. Al contrario, en cargas de igual signo la fuerza es de repulsión.
Inferimos, así pues, que el bolígrafo que frotado con el paño atrae fragmentos de papel tiene carga negativa. Porque los pedacitos de papel tienen carga positiva.
La ley de Coulomb y los campos eléctricos
El físico francés Charles-Augustin de Coulomb enunció en 1785 la ley que lleva su nombre. Vamos a ver qué dice esta ley. Luego la reformularemos con palabras más sencillas.
Ley de Coulomb
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.
Dicho de otra manera, lo que la ley de Coulomb afirma es:
- Que cuanto mayor sea la carga, mayor es la fuerza de atracción/repulsión;
- que cuanto más separadas estén las cargas, menor es el efecto de las fuerzas;
- que las cargas de mismo signo se repelen;
- y que las cargas de signo opuesto se atraen.
Pues bien, la zona en la cual esas cargas se atraen o se repelen se conoce como campo eléctrico de fuerza. También es conocido como campo electroestático. ¡No olvidemos que estamos estudiando la electricidad estática!
Las cargas eléctricas de signo opuesto no solo ejercen un efecto de atracción; a veces como consecuencia de las cargas transferidas los objetos pasan a estar en equilibrio eléctrico.
Transferencia de cargas eléctricas
Como sabemos, si un objeto con carga negativa toca a otro con carga positiva, los electrones pasan a los átomos del segundo. Esa es una transferencia eléctrica por contacto.
Ahora bien: ¿qué pasa si un objeto con carga positiva se acerca un material sin carga, sin llegar a tocarlo? Los electrones libres se agrupan entonces cerca del punto de influencia. No habrá transferencia directa de cargas en ese caso; sin embargo, aparece en el segundo objeto una carga eléctrica por inducción.
Véase en la barra derecha de la figura 4 cómo al agruparse los electrones en un extremo, aparece una carga positiva en el lado opuesto. Eso significa que si acercamos ahí un material capaz de aportar electrones, estos serán atraídos por los átomos con exceso de protones. El objeto acercado adquiere, así, carga negativa.
En conclusión: las cargas estáticas influyen eléctricamente en otros objetos. Tales cargas eléctricas se pueden transferir directa o indirectamente; esto es, respectivamente, por contacto o por inducción.
Resumen
Hasta el presente capítulo tratamos la electricidad como el estudio de los fenómenos relacionados con el flujo de electrones en un material conductor. Otro tipo de electricidad, sin movimiento, es la electricidad estática.
La principal fuente de la electricidad estática es la fricción. Frotar ciertos objetos con ciertos materiales desencadena una transferencia de electrones. Llamamos carga negativa al objeto que recibe electrones. De resultas, el ente que los suministra queda con carencia de ellos: lo definimos como carga positiva.
Las cargas eléctricas producen efectos de atracción y repulsión:
- Dos cargas positivas se repelen entre sí.
- Una carga negativa también repele a otra negativa.
- En cambio, una carga positiva y otra negativa son atraídas entre sí.
La fuerza con que dos cargas se atraen/repelen es mayor cuanto mayor es la carga. Además, esa fuerza es menor cuanto más lejos está un objeto del otro. Tales fenómenos los expresa la ley de Coulomb.
Por último, hemos visto que las cargas ejercen influencia sobre otras cargas (además del fenómeno de atracción y repulsión). Las cargas se pueden transferir por inducción o por contacto directo.
Antes de pasar al tema IV, El Magnetismo, sugiero ver el siguiente vídeo del canal Date un voltio:
Vídeo recomendado: Cómo funciona la electricidad estática
Apuntes adicionales: los rayos en una tormenta eléctrica
El rayo es la descarga eléctrica que se produce durante una tormenta. Se manifiesta de dos formas:
- Mediante la emisión de luz: es el fenómeno que se conoce como relámpago. Se debe al paso de la corriente eléctrica.
- Mediante la emisión de sonido: es lo que conocemos como trueno. Surge como consecuencia del paso de la corriente eléctrica por el aire. Lo que sucede es que el aire se expande como consecuencia del calentamiento que sufre debido al paso de la corriente eléctrica.
Para poner el punto final a esta lección, ¡ahí van unos hechos curiosos sobre el rayo!
- Un rayo mide de media 1.5 km.
- El rayo más largo que se conoce se registró en Oklahoma en 2007: su longitud fue de 321 km.
- La velocidad media de un rayo es de 440 km/s.
- La velocidad máxima de un rayo es de unos 1400 km/s.
- La diferencia de potencial entre la parte inferior de la nube (con carga eléctrica negativa) y la tierra (con carga positiva) es de unos mil millones de voltios.
Esta bueno, pero le falta unos ejemplos.
Excelente publicación. La teoría es muy importante en el crecimiento de un profesional, en ocasiones pocos las entienden y muchos viven creyendo que lo saben.
Gracias, Fernando. Totalmente de acuerdo. Cuando el día a día es sota, caballo y rey, perfecto. La teoría marca la diferencia cuando las cosas se complican. Un saludo.