078 – Electricidad estática

La electricidad estática es la rama más antigua de la disciplina y sigue siendo con la que la gente se topa primero: un suéter que cruje al quitarse, el piquete de una manija de puerta tras caminar sobre una alfombra, el cabello que se separa de un peine, la película adherente que no se suelta a sí misma. A nivel industrial, el mismo efecto debe gestionarse en lugar de admirarse; es la razón por la que las pipas de combustible se conectan a tierra antes de llenarse, por la que los componentes electrónicos se envían en bolsas conductoras, y también se aprovecha deliberadamente en fotocopiadoras, impresoras láser, pintura electrostática por aspersión y en los precipitadores que limpian los gases de combustión.

La física detrás de todo esto se resume en una sola oración: cuando dos materiales aislantes diferentes se ponen en contacto íntimo y se separan, los electrones se mueven de una superficie a la otra, lo que deja 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 según el cuadrado de la separación.

En este laboratorio suspenderá esferas ligeras de vástagos 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.

Metas educativas

Cargar un objeto y saber que lo tienes

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

Interpretar correctamente la atracción y la repulsión

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

Usando 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

• E = kq₁q₂/r² y úsalo para explicar por qué las pelotas interactúan fuertemente a dos centímetros y nada en absoluto 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 sistemáticamente

• Complete una tabla de resultados en la que se registre cada emparejamiento, incluidos aquellos que se esperaba que fueran poco interesantes.
• Repetir una prueba que falla y dar una razón física por la cual una esfera cargada pierde su carga con el tiempo.

Protocolo

1. Cuelgue una pinza en la parte superior de cada soporte universal, lo más alto posible.
2. Suspenda una varilla rígida móvil en cada pinza.
3. Cuelgue una bola de polietileno verde azulado en cada tallo rígido.

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

1. Toma la bola de lana gris y acércala a la bola de polietileno verde azulado suspendida de la varilla del soporte izquierdo. Espera unos segundos a que la bola de polietileno verde azulado se cargue con electricidad estática (será atraída hacia la bola de lana gris).
2. Luego, acerca la bola de lana gris a la segunda bola de polietileno verde azulado a la derecha. Espera unos segundos para que la bola de polietileno verde azulado se cargue con electricidad estática (será atraída hacia la bola de lana gris).

Reacción entre dos esferas de polietileno cargadas con electricidad estática

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

Nota: Si la reacción entre las pelotas no funciona, reinicie los pasos para cargar las pelotas 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 lentamente a la bola de polietileno verde azulado suspendida a la derecha. Espera unos segundos a que la bola de polietileno verde azulado se cargue con electricidad estática (será atraída hacia la bola de algodón verde).
2. Cuelga una bola de acetato rosa en el tallo 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 para que la bola de acetato rosa se cargue de electricidad estática (será atraída hacia 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, 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 dejen de interactuar entre sí.

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

1. Vuelve a colgar la bola de acetato rosa de la izquierda.
2. Desengancha y vuelve a colocar sobre la mesa la pelota 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 para que la bola de acetato rosa se cargue de electricidad estática (será atraída hacia la bola de algodón verde).
5. Tome la misma bola de algodón verde y acérquela lentamente a la bola de acetato rosada suspendida a la derecha. Espere unos segundos a que la bola de acetato rosada se cargue de electricidad estática (será atraída hacia la bola de algodón verde).

Reacción entre dos bolas de acetato cargadas con electricidad estática

1. Separe la esfera de acetato rosa de la izquierda y, sin dejar que las dos esferas se toquen, acerque esta esfera a la suspendida de la derecha. Las observaciones se registran en la tabla de resultados. Luego, espere hasta que las esferas dejen de interactuar entre sí.

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

2. Desengancha y coloca las esferas de acetato rosadas, los tallos y las pinzas.

Resultados esperados

Cómo se cargan las pelotas. 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 bola de lana o 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 una mesa de laboratorio 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 a la lana positiva. El polietileno cargado contra el algodón de igual manera se vuelve negativo y deja al algodón positivo. El acetato cargado contra el algodón cede electrones y se vuelve positivo, dejando al algodón negativo. El algodón, por lo tanto, 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 signo igual, y debido a que la fuerza de Coulomb disminuye con la distancia, la carga opuesta más cercana gana. Es por eso que una barra cargada recoge trozos de papel sin carga, y significa que una atracción entre dos bolas es consistente con tres situaciones diferentes: cargas opuestas, o una cargada y una neutra, en cualquiera de las dos disposiciones. La repulsión no tiene tal resquicio: dos objetos solo pueden alejarse el uno del otro si ambos están cargados y ambos tienen el mismo signo. A un estudiante al que se le pide demostrar que las dos bolas de polietileno son negativas se le debe señalar la repulsión, no la atracción hacia la lana.

¿De cuánto es el cargo?. 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 se empuja hacia un lado, y la geometría de un péndulo da F = mg tan θ. Tomando una bola ligera de aproximadamente 1 g y una deflexión claramente visible de 10°, la fuerza lateral es F = 0.001 × 9.81 × tan 10° = 1.7 × 10⁻³ N. Si las dos cargas tienen cargas iguales q y están separadas por 3 cm, 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 —una cifra 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. El inverso del cuadrado en la ley de Coulomb es pronunciado. El 1.7 × 10⁻³ N calculado a 3 cm se vuelve una cuarta parte del que se obtiene a 6 cm y una centésima a 30 cm, punto en el cual es mil veces menor 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 cual el efecto aparece tan repentinamente a medida que se cierra el espacio. Es también la razón por la cual se debe evitar el contacto: al entrar en contacto las dos bolas comparten su carga, y dos objetos que portan el mismo signo se repelen entonces desde una posición de reposo con mucha menos carga cada uno.

¿Por qué no dura la carga?. El protocolo indica que hay que esperar hasta que las bolas dejen de interactuar y recargarlas si un intento falla. Ambas instrucciones tienen la misma causa: la carga se escapa, principalmente a lo largo de una película microscópica de agua adsorbida en cada superficie, y la tasa de fuga 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; a 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. Tocar una pelota con la mano desnuda la descarga de inmediato, ya que el cuerpo humano es un conductor lo suficientemente bueno como para llevar un nanoculombio a tierra.

Límites honestos de este experimento. Nada aquí se mide: cada resultado es una observación de sí o no sobre atracción o repulsión, por lo que ningún número en los párrafos anteriores se puede contrastar con el laboratorio tal como está. La estimación de la carga depende de la masa de una esfera y de un ángulo de deflexión 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 a bajo costo: fije una esfera, varíe la separación y registre el ángulo de deflexión en cada distancia. Representar tan θ frente a 1/r² debe dar una línea recta que pasa por el origen, y ese único gráfico convierte una demostración en un experimento.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 9-10

Concéntrate. Observar objetos cargados y registrar lo que hacen.

Actividades. Lleve a cabo las seis combinaciones del protocolo y complete la tabla de resultados. Prediga, antes de cada combinación, si las pelotas se atraerán o se repelerán, y cuente cuántas predicciones fueron correctas.

Esperado del alumno. 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 queda con carga negativa es el plástico; y dos ejemplos de electricidad estática fuera del laboratorio son los relámpagos durante una tormenta y la ropa que sale de la secadora con adherencia.

Undécimo grado

Concéntrate. La serie electrostática como herramienta predictiva.

Actividades. Deduzca el orden de los cuatro materiales a partir de la tabla de resultados sin consultar una referencia, luego compárelo con una serie publicada. Use 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 alumno. El algodón adquiere cargas de signos opuestos en dos filas distintas de la tabla porque la carga por fricción depende de los materiales específicos frotados entre sí; el algodón puede ganar o perder electrones según el otro material (el material que está por encima en la serie triboeléctrica cede electrones y el que está por debajo los gana). En cada transferencia, el objeto que adquiere carga negativa es el que gana electrones, y el objeto que adquiere carga positiva es el que los pierde. La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa ($F = k \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}$). Esta ley explica por qué las esferas interactúan a dos centímetros y no a veinte: como la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, al aumentar la distancia diez veces (de 2 cm a 20 cm), la fuerza disminuye por un factor de cien ($10^2$), volviéndose tan débil a veinte centímetros que resulta imperceptible o nula en la práctica.

12.º grado / Nivel universitario

Concéntrate. Electrostática cuantitativa y la lógica de la evidencia.

Actividades. Estime la carga de una esfera a partir de la desviación de un péndulo y la ley de Coulomb, y conviértala a un número de electrones y a una fracción de los átomos superficiales. Analice la polarización y explique por qué la atracción es evidencia ambigua mientras que la repulsión no lo es. Diseñe la medición adicional —desviación en función de la separación— que pondría a prueba la ley del inverso del cuadrado, e indique qué se tendría que controlar para que funcione.

Esperado del alumno. Derive $F = mg \tan \theta$ para una bola suspendida; justifique o critique la aproximación de carga puntual a estas separaciones; explique la fuga de carga en términos de conducción superficial y humedad; e identifique cuáles de las seis filas en la tabla de resultados sobrevivirían si una bola fuera neutra en lugar de estar cargada.

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Soportes universales para laboratorio (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)