078 – Electricidad estática

La electricidad estática es la rama más antigua de la disciplina y sigue siendo con la que la gente se encuentra primero: un jersey que cruje al quitarse, el piquete de un pomo de puerta tras caminar sobre una alfombra, el cabello que se separa de un peine, el film transparente que no se suelta a sí mismo. A nivel industrial, este mismo efecto debe gestionarse en lugar de admirarse —es el motivo por el cual los camiones cisterna de combustible se conectan a tierra antes de llenarse, por el que los componentes electrónicos se envían en bolsas conductoras, y también se emplea deliberadamente en fotocopiadoras, impresoras láser, pintura electrostática por aspersión y precipitadores que limpian los gases de combustión.

La física detrás de todo esto se resume en una sola frase: cuando dos materiales aislantes diferentes se ponen en contacto íntimo y se separan, los electrones se mueven de una superficie a la otra, dejando a un objeto con una carga neta negativa y al otro con una carga positiva igual. Hacia dónde van los electrones depende únicamente del par de materiales, y los materiales se pueden ordenar en una lista —la serie triboeléctrica o electrostática— en la cual el miembro que se encuentra más arriba cede electrones y se vuelve positivo. Una vez cargados, los objetos obedecen la ley de Coulomb: las cargas iguales se repelen, las cargas opuestas se atraen y la fuerza disminuye con el cuadrado de la separación.

En este laboratorio suspenderá esferas ligeras de tallos aislantes para que puedan oscilar libremente, las cargará acercándoles lana o algodón, y luego presentará las esferas cargadas entre sí de dos en dos. Polietileno cargado con lana, acetato cargado con algodón, cada material contra su paño de carga y cada uno contra el otro —seis confrontaciones en total, registradas en una tabla de resultados—. A partir del patrón de atracciones y repulsiones, determinará el signo que adquiere cada material y reconstruirá la parte de la serie electrostática que rige estas cuatro sustancias.

Objetivos Educativos

Cargar un objeto y saber que lo tienes

• Carga un aislante suspendido utilizando un segundo material y describe, en términos de electrones, qué le ha sucedido a ambos objetos.
• Explique por qué los dos objetos necesariamente tienen cargas iguales y opuestas, y por qué ninguno crea carga de la nada.

Leer correctamente la atracción y la repulsión

• Predecir la interacción de dos cualesquiera de los cuatro materiales una vez que se conocen sus posiciones en la serie electrostática.
• Reconoce que la repulsión demuestra que dos objetos tienen cargas iguales, mientras que la atracción por sí sola no demuestra nada, porque un objeto neutro también es atraído por uno cargado.

Utilizando la serie electrostática

• Coloque el polietileno, el acetato, la lana y el algodón en orden a partir de los resultados experimentales en lugar de buscar la respuesta.
• Solo importa la posición relativa de dos materiales, de modo que una misma sustancia puede ser positiva frente a un compañero y negativa frente a otro.

Aplicando la ley de Coulomb

• Escribe F = kq₁q₂/r² y utilízalo para explicar por qué las bolas interactúan fuertemente a dos centímetros y nada a veinte.
• Estime el tamaño de la carga involucrada a partir de la deflexión de una esfera suspendida y compárelo con el número de átomos en la superficie de la esfera.

Observar y documentar de forma sistemática

• Completa una tabla de resultados en la que se registre cada emparejamiento, incluidos aquellos que se esperaba que fueran poco interesantes.
• Repetir un experimento que falla y dar una razón física de por qué una bola cargada pierde su carga con el tiempo.

Protocolo

1. Cuelgue una abrazadera en la parte superior de cada soporte universal, lo más alto posible.
2. Cuelga una barra rígida y móvil en cada soporte.
3. Cuelga una bola de polietileno de color verde azulado en cada tallo rígido.

Transferencia de electricidad estática entre una bola de lana y una bola de polietileno

1. Coge la bola de lana gris y acércala a la bola de polietileno de color verde azulado que cuelga de la varilla del soporte de la izquierda. Espera unos segundos a que la bola de polietileno de color verde azulado se cargue de electricidad estática (se verá atraída por la bola de lana gris).
2. A continuación, acerca la bola de lana gris a la segunda bola de polietileno de color verde azulado que hay a la derecha. Espera unos segundos a que la bola de polietileno de color verde azulado se cargue de electricidad estática (se verá atraída por la bola de lana gris).

Reacción entre dos bolas de polietileno cargadas con electricidad estática

1. Desengancha la bola de polietileno de color verde azulado de la izquierda y, sin dejar que las dos bolas se toquen, acércala a la que está suspendida a la derecha. Anota las observaciones en la tabla de resultados. A continuación, espera hasta que las bolas dejen de interactuar entre sí.

Nota: Si la reacción entre las bolas no funciona, reinicia los pasos para cargar las bolas con la bola de lana.

Transferencia de electricidad estática entre una bola de algodón y una bola de acetato.

1. Coloca la bola de polietileno verde azulado sobre la mesa y toma la bola de algodón verde, luego acércala suavemente a la bola de polietileno verde azulado suspendida a la derecha. Espera unos segundos a que la bola de polietileno verde azulado se cargue de electricidad estática (será atraída por la bola de algodón verde).
2. Cuelga una bola de acetato rosa en el vástago rígido de la izquierda.
3. Toma la bola de algodón verde y acércala suavemente a la bola de acetato rosa suspendida a la izquierda. Espera unos segundos a que la bola de acetato rosa se cargue de electricidad estática (será atraída por la bola de algodón verde).

Reacción entre una bola de acetato y una bola de polietileno cargadas con electricidad estática

1. Separe la bola de acetato rosa y, sin que las dos bolas se toquen entre sí, acerque esta bola a la bola de polietileno verde azulado suspendida a la derecha. Las observaciones se registran en la tabla de resultados. Luego, espere hasta que las bolas ya no interactúen entre sí.

Transferencia de electricidad estática entre una bola de algodón y bolas de acetato

1. Vuelve a colgar la bola de acetato rosa a la izquierda.
2. Desengancha y vuelve a colocar sobre la mesa la bola de polietileno verde azulado de la derecha.
3. Cuelga la segunda bola de acetato rosa en el tallo rígido disponible a la derecha.
4. Toma la bola de algodón verde y acércala suavemente a la bola de acetato rosa suspendida a la izquierda. Espera unos segundos a que la bola de acetato rosa se cargue de electricidad estática (será atraída por la bola de algodón verde).
5. Toma la misma bola de algodón verde y acércala suavemente a la bola de acetato rosa suspendida a la derecha. Espera unos segundos a que la bola de acetato rosa se cargue de electricidad estática (será atraída por la bola de algodón verde).

Reacción entre dos pelotas de acetato cargadas con electricidad estática

1. Desprenda la esfera de acetato rosa de la izquierda y, sin dejar que las dos esferas se toquen, acerque esta esfera a la que está suspendida a la derecha. Las observaciones se registran en la tabla de resultados. Luego espere hasta que las esferas ya no interactúen entre sí.

Nota: Si la reacción entre las bolas no funciona, repita los pasos anteriores para cargar las bolas correctamente.

2. Desengancha y coloca las bolas de acetato rosa, los tallos y las abrazaderas.

Resultados esperados

Cómo se cargan las bolas. En una versión física de este experimento, la carga se transfiere por contacto y fricción: la lana debe frotarse contra el polietileno y la carga no cruza un espacio de aire. Esta simulación abrevia ese paso: acercar la lana o la bola de algodón a una bola suspendida es suficiente para cargarla. Todo lo posterior a la carga se comporta exactamente igual que los objetos cargados, por lo que la tabla de resultados a continuación es la que produciría un banco de trabajo real; solo se simplifica el gesto de carga.

Lo que hace cada material. El polietileno cargado contra la lana toma electrones y se vuelve negativo, dejando la lana positiva. El polietileno cargado contra el algodón de igual manera se vuelve negativo y deja el algodón positivo. El acetato cargado contra el algodón cede electrones y se vuelve positivo, dejando el algodón negativo. Por lo tanto, el algodón aparece con ambos signos en este laboratorio, lo cual no es una contradicción sino la lección central de la serie electrostática: un material no tiene carga propia, solo una posición relativa a su pareja.

Por qué la repulsión es la única prueba. Cuatro de las seis filas son atracciones y dos son repulsiones, y las dos valen más que las cuatro. Un objeto cargado atrae a uno neutro: su campo separa ligeramente las propias cargas del cuerpo neutro, acercando el signo opuesto y alejando el del mismo signo, y debido a que la fuerza de Coulomb disminuye con la distancia, la carga opuesta, que está más cerca, gana. Por eso una varilla cargada recoge trozos de papel sin carga, y esto significa que una atracción entre dos pelotas es coherente con tres situaciones diferentes: cargas opuestas, o una cargada y otra neutra, en cualquiera de las dos disposiciones. La repulsión no tiene tal resquicio: dos objetos solo pueden repelerse mutuamente si ambos están cargados y ambos tienen el mismo signo. A un estudiante al que se le pida demostrar que las dos pelotas de polietileno son negativas se le debe señalar la repulsión, no la atracción hacia la lana.

¿Cuánta carga está involucrada?. La ley de Coulomb da la fuerza entre dos cargas puntuales como F = kq₁q₂/r², con k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². Una bola suspendida cuelga en un ángulo cuando es empujada hacia un lado, y la geometría de un péndulo da $F = mg \tan \theta$. Tomando una bola ligera de aproximadamente 1 g y una deflexión claramente visible de 10°, la fuerza lateral es $F = 0{,}001 \times 9{,}81 \times \tan 10° = 1{,}7 \times 10$⁻³ N. Si las dos cargas tienen cargas iguales q y se encuentran a 3 cm de distancia, entonces q = √(Fr²/k) = √((1.7 × 10⁻³ × 9 × 10⁻⁴)/(8.99 × 10⁹)) ≈ 1.3 × 10⁻⁸ C, eso es aproximadamente 13 nC. Dividido por la carga electrónica, 1.6 × 10⁻¹⁹ C, esto mide más o menos 8 × 10¹⁰ electrones —un número que suena enorme pero que, sin embargo, equivale aproximadamente a un electrón por cada diez billones de átomos en la superficie de la bola. La electricidad estática es un desequilibrio muy pequeño que se hace visible mediante una fuerza muy intensa.

Por qué la distancia importa tanto. La ley del inverso del cuadrado en la ley de Coulomb es pronunciada. El 1,7 × 10⁻³ N calculado a 3 cm se convierte en una cuarta parte del de 6 cm y en una centésima parte a 30 cm, momento en el cual es mil veces más pequeño que el peso de la pelota y no ocurre nada visible. Esta es la razón por la cual el protocolo insiste en que las pelotas sean acercadas cerrar sin tocar, y la razón por la que el efecto aparece tan repentinamente a medida que se cierra el espacio. Es también la razón por la cual debe evitarse el tocar: al hacer contacto, las dos bolas comparten su carga, y dos objetos con el mismo signo se repelen entonces desde una posición inicial con mucha menos carga cada uno.

Por qué la carga no dura. El protocolo indica que hay que esperar a que las bolas dejen de interactuar y recargarlas si un intento falla. Ambas instrucciones tienen la misma causa: la carga se disipa, principalmente a lo largo de una película microscópica de agua adsorbida en todas las superficies, y la tasa de disipación depende en gran medida de la humedad de la habitación. En el aire seco del invierno, un aislante cargado puede mantener su carga durante muchos minutos; con una humedad relativa del 70 %, puede desaparecer en segundos. Por eso las descargas estáticas son un fenómeno invernal en los climas templados, y por eso una versión física de este experimento funciona mucho mejor en un día seco. Al tocar una pelota con la mano desnuda, esta se descarga de inmediato, ya que el cuerpo humano es un conductor lo suficientemente bueno como para conducir un nanoculombio a tierra.

Límites honestos de este experimento. Nada aquí se mide: cada resultado es una observación de sí o no de atracción o repulsión, por lo que ningún número en los párrafos anteriores se puede contrastar con el laboratorio tal como está. La estimación de carga depende de una masa de la esfera y un ángulo de desviación que se suponen en lugar de leerse, y trata a dos esferas separadas por un par de centímetros como cargas puntuales, lo que favorece a la aritmética quizás en decenas por ciento. La simulación también carga por proximidad en lugar de por fricción, por lo que el mecanismo que describe la serie triboeléctrica —contacto íntimo y separación— se afirma en la página en lugar de demostrarse en los visores, y no se modela explícitamente ni la humedad ni la tasa de fuga. Una clase que quiera una medición puede obtener una de forma económica: fijar una esfera, variar la separación y registrar el ángulo de desviación en cada distancia. Representar tan θ frente a 1/r² debería dar una línea recta que pasa por el origen, y ese único gráfico convierte una demostración en un experimento.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

Concentración. Observar objetos cargados y registrar lo que hacen.

Actividades. Lleva a cabo las seis combinaciones del protocolo y completa la tabla de resultados. Predice, antes de cada combinación, si las bolas se atraerán o se repelerán, y cuenta cuántas predicciones fueron correctas.

Esperado del estudiante. Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen; la carga mueve electrones de un objeto a otro y no los crea; el material que termina con carga negativa es el plástico; y dos ejemplos de electricidad estática fuera del laboratorio son los globos que se pegan a la pared después de frotarlos contra el cabello y la ropa que sale llena de pelusa de la secadora.

Undécimo grado

Concentración. La serie electrostática como herramienta de predicción.

Actividades. Deduce el orden de los cuatro materiales a partir de la tabla de resultados sin consultar una referencia, y luego compáralo con una serie publicada. Utiliza el orden deducido para predecir el resultado de un emparejamiento que el protocolo nunca realiza, como lana presentada a una bola de acetato cargada de algodón.

Esperado del estudiante. Explique por qué el algodón adquiere signos opuestos en dos filas diferentes de la tabla sin ninguna contradicción; escriba qué objeto gana electrones en cada transferencia y cuál los pierde; enuncie la ley de Coulomb y úsela para explicar por qué las bolas interactúan a dos centímetros y no a veinte.

12.º curso / Nivel universitario

Concentración. Electrostática cuantitativa y la lógica de la evidencia.

Actividades. Estima la carga de una bola a partir de la desviación del péndulo y la ley de Coulomb, y conviértela en un número de electrones y en una fracción de los átomos de la superficie. Analiza la polarización y explica por qué una atracción es una evidencia ambigua mientras que una repulsión no lo es. Diseña la medición adicional —desviación en función de la separación— que pondría a prueba la ley del inverso del cuadrado, y di qué tendría que controlarse para que funcione.

Esperado del estudiante. Deriva F = mg tan θ para una pelota suspendida; justifica o critica la aproximación de carga puntual a estas separaciones; explica la fuga de carga en función de la conducción superficial y la humedad; e identifica cuáles de las seis filas de la tabla de resultados sobrevivirían si una pelota fuera neutra en lugar de estar cargada.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Soportes de laboratorio universales (2)
• Abrazaderas (2)
• Varillas móviles rígidas, una por soporte, con ganchos aislantes

Productos

• Bolas de polietileno, verde azulado (2)
• Bolas de acetato, rosa (2)
• Ovillo de lana, gris (1)
• Bola de algodón, verde (1)