Electricidad Fácil III: la electricidad estática. Las cargas eléctricas y ley de Coulomb.

En el capítulo II de electricidad fácil hablamos de los materiales conductores de la electricidad, los semiconductores y los aislantes. También definimos la corriente eléctrica y vimos cómo puede circular a través del interior de un cable eléctrico sin alcanzar el exterior, gracias al aislante.

Además, en el primer capítulo dijimos que la electricidad era un fenómeno relacionado con el movimiento de los electrones. En este capítulo hablaremos de otro tipo de electricidad: la electricidad estática y de las cargas eléctricas.

¿Qué es la electricidad estática?

Como ya hemos visto, los electrones libres de un material conductor pueden saltar de manera ordenada de átomo en átomo. Cuando eso ocurre hablamos de corriente eléctrica. Y al estudio del flujo de electrones y los efectos que este flujo produce lo llamamos electricidad.

Sin embargo, existe otro tipo de electricidad en el que no existe movimiento: la electricidad estática. La palabra estática procede del griego στατικός, escrita como statikos en nuestro alfabeto. Esta palabra significa 'estacionario', es decir, sin movimiento. Por tanto, la electricidad estática es un tipo de electricidad en la que no existe flujo o corriente de electrones.

Como ya vimos, los electrones libres pueden ser desplazados fuera de su órbita y atraídos por otro átomo cercano. Cuando un electrón abandona el átomo, el átomo puede quedar con carga positiva si el número de protones en el núcleo supera al de electrones. A este tipo de átomo lo llamamos ion positivo.

Por el contrario, si en un átomo hay más electrones que protones, el átomo tiene carga negativa y a eso lo llamamos ion negativo. Si el número de electrones es igual al de protones, el átomo no tiene carga y decimos que está en equilibro eléctrico.

Pues bien, cuando en un material se concentran varios átomos con un mismo tipo de carga, decimos que ese material tiene carga eléctrica (positiva o negativa). Al estudio de las cargas eléctricas sin movimiento y a los fenómenos que dichas cargas producen lo llamamos electricidad estática.

Cargas eléctricas

En el capítulo I de este manual básico de electricidad vimos que electricidad procedía de la palabra griega elektron. Los griegos usaron dicha palabra para referirse al ámbar, un tipo de resina vegetal fosilizada.

Cargas negativas

Al frotar una barra de ámbar con una pieza de tela, los átomos del ámbar reciben algunos electrones libres del paño. Como resultado, los átomos quedan cargados con un excesivo de electrones. Este es un ejemplo de carga negativa.

Carga eléctrica negativa Material con carga eléctrica negativa es aquel en cuyos átomos hay más protones que electrones

Si frotamos un bolígrafo de plástico con un paño, este también gana una carga negativa. Los materiales con carga negativa atraen a los objetos que tienen carga positiva. Si acercamos el bolígrafo a unos trocitos de papel, veremos que estos se pegan al bolígrafo, como si este fuera un imán.

Los griegos observaron que con el ámbar ocurría lo mismo (entonces no existía el papel, pues este se inventó en China en el siglo I d.C., sin embargo, observaron que el ámbar cargado atraía pequeños trozos de hojas secas de árboles).

Cargas positivas

Al perder un electrón libre, un átomo puede quedar con más protones que electrones. En este caso ocurre lo contrario que en el ejemplo anterior: el átomo queda con carga positiva. Cuando en un material los átomos quedan con falta de electrones, decimos que tiene carga positiva.

Carga eléctrica positiva Material con carga eléctrica positiva es aquel en cuyos átomos hay más protones que electrones

Por lo general, las cargas eléctricas positivas o negativas solo se dan en los materiales que no son conductores, es decir, en los aislantes. En los conductores, se neutralizaría rápidamente la carga, al tener estos un gran número de electrons libres.

¿Cómo se forman las cargas eléctricas?

La transferencia de electrones puede darse al frotar dos materiales de diferente naturaleza. De hecho, la fricción es una de las causas más comunes de las cargas estáticas.

Por ejemplo, los electrones pasan del paño al ámbar mediante fricción. Otros materiales en los que puede aparecer la electricidad estática son la goma, el cristal, la cera, la franela, el fieltro y el tejido sintético de poliéster.

Por otro lado, en la atmósfera terrestre se pueden producir cargas eléctricas cuando hay nubes de tormenta (aunque también cuando las condiciones climatológicas son 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 que producen estos dispositivos son la causa de que su pantalla atraiga el polvo doméstico con facilidad.

Enseguida veremos lo que son los campos eléctricos pero primero debemos conocer los fenómenos de atracción y repulsión que se dan entre los diferentes tipos de cargas eléctricas.

Atracción y repulsión de cargas eléctricas

Entre las cargas eléctricas de diferente signo, es decir, positiva y negativa, existe una fuerza de atracción. Por el contrario, en cargas de igual signo la fuerza es de repulsión.

Por tanto, se deduce que cuando un bolígrafo de plástico que ha sido frotado con un paño atrae fragmentos de papel, eso significa que los pedacitos de papel tienen carga positiva (pues la carga del bolígrafo es negativa).

Atracción repulsión cargas eléctricas Fenómenos de atracción y repulsión entre las cargas eléctricas de igual y diferente signo

La ley de Coulomb y los campos eléctricos

El físico francés Charles-Augustin de Coulomb enunció en 1785 la ley que lleva su nombre.

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.

En palabras más sencillas lo que la ley de Coulomb dice es:

  1. Que cuanto mayor sea la carga, mayor es la fuerza de atracción/repulsión
  2. Que cuanto más separadas estén las cargas, menor será el efecto de atracción/repulsión
  3. Que las cargas de mismo signo se repelen y las de signo opuesto se atraen

La zona en la que dichas cargas se atraen o se repelen es lo que se conoce como campo eléctrico de fuerza. También es conocido como campo electroestático, pues hay que recordar que estamos hablando de electricidad estática en todo momento.

Las cargas eléctricas de signo opuesto no solo ejercen un efecto de atracción, también se pueden transferir las cargas y dejar los objetos en equilibrio eléctrico.

Transferencia de cargas eléctricas

Si un objeto con carga negativa, es decir, exceso de electrones, toca a otro con carga positiva, los electrones pasarán a los átomos del segundo. Lo que ha ocurrido es una transferencia eléctrica por contacto.

Por otro lado, si un objeto con carga positiva se acerca un material sin carga pero no llega a tocarlo, los electrones libres de dicho material se agruparán cerca del punto de influencia. En este caso no habrá transferencia directa de cargas, sin embargo, en el segundo objeto se ha producido una carga eléctrica por inducción.

Cargas eléctricas inducción Inducción de cargas eléctricas

En el objeto del ejemplo enterior, la reagrupación de los electrones en uno de los extremos, deja al extremo opuesto con carga positiva. Eso significa que si acercamos a dicho extremo un material que pueda aportar electrones, los electrones serán atraido por los átomos que tienen exceso de protones y el objeto ganará carga negativa.

En conclusión: las cargas estáticas influyen en otros objetos y pueden transferir las cargas por contacto o de manera indirecta (por inducción).

Resumen

Hasta el presente capítulo habíamos hablado de la electricidad como el estudio de los fenómenos relacionados con el flujo de electrones a través de un material conductor de la electricidad. Sin embargo, existe otro tipo de electricidad en el que no existe desplazamiento: la electricidad estática.

La principal fuente de la electricidad estática es la fricción. Al rozar ciertos tipos de objetos con determinados materiales, se puede producir una transferencia de electrones. En este caso hablamos de carga negativa. Como resultado del paso de electrones, el objeto que los suministra queda con carencia de ellos. En este caso hablamos de 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 la que dos cargas se atraen (o se repelen) es mayor cuanto mayor es la carga y menor cuanto más lejos está un objeto del otro. Esto es lo que dice 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 mediante inducción o por contacto directo.

Apuntes adicionales: los rayos en una tormenta eléctrica

Un rayo es una descarga eléctrica que se produce durante una tormenta y que se manifiesta de dos formas:

  1. Mediante la emisión de luz: es el fenómeno que se conoce como relámpago. Se debe al paso de la corriente eléctrica.
  2. 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.

Rayo tormenta eléctrica Relámpago durante una tormenta eléctrica (parte visual del rayo)

Algunos hechos curiosos sobre el rayo:

  1. Un rayo mide de media 1.5 km
  2. El rayo más largo que se conoce tuvo una longitud de 321 km y se registro en Oklahoma (en 2007)
  3. La velocidad media de un rayo es de 440 km/s
  4. La velocidad máxima de un rayo es de unos 1400 km/s
  5. 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

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