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De dónde proviene la electricidad estática y cómo funciona

                                

                                
                                

La electricidad estática puede causar más que solo un mal día para el cabello. (Crédito: Ken Bosma, CC BY)

La electricidad estática es una parte omnipresente de la vida cotidiana. Está a nuestro alrededor, a veces divertido y obvio, como cuando hace que tu cabello se ponga de punta, a veces oculto y útil, como cuando se lo utiliza la electrónica de tu teléfono. Los meses secos de invierno son temporada alta para un inconveniente molesto de la electricidad estática: descargas eléctricas como pequeños relámpagos cuando tocas las perillas de las puertas o mantas calientes recién sacadas de la secadora de ropa.

La electricidad estática es uno de los fenómenos científicos más antiguos observados y descritos por personas. El filósofo griego Thales de Mileto hizo el primer relato; en su siglo VI a. En los escritos, observó que si el ámbar se frotaba lo suficiente, pequeñas partículas de polvo comenzarán a adherirse a él. Trescientos años después, Theophrastus continuó con los experimentos de Thales frotando varios tipos de piedra y también observó el "poder de atracción". Pero ninguno de estos filósofos naturales encontró una explicación satisfactoria de lo que vieron.

Pasaron casi 2,000 años más antes de que se acuñara por primera vez la palabra inglesa "electricidad", basada en el latín "electricus", que significa "como ámbar". Benjamin Franklin realizó algunos de los experimentos más famosos en su búsqueda por comprender el mecanismo subyacente de la electricidad, que es una de las razones por las que su rostro sonríe con el billete de US $ 100. La gente reconoció rápidamente la utilidad potencial de la electricidad.

El asombroso chico volador depende de la electricidad estática para sorprender a la multitud. (Crédito: Frontispicio de Novi profectus en historia electricitatis, post obitum auctoris, por Christian August Hausen (1746))

Por supuesto, en el siglo XVIII la mayoría de las personas utilizaban la electricidad estática en trucos de magia y otras actuaciones. Por ejemplo, el "experimento de niño volador" de Stephen Gray se convirtió en una popular demostración pública: usaba un frasco de Leyden para cargar al joven, suspendido de los cordones de seda, y luego mostraba cómo podía pasar las páginas de los libros a través de la electricidad estática o levantar cosas pequeñas. Objetos solo usando la atracción estática.

Sobre la base de los conocimientos de Franklin, incluida su comprensión de que la carga eléctrica viene en sabores positivos y negativos, y que la carga total siempre se conserva, hoy en día entendemos a nivel atómico qué causa la atracción electrostática, por qué puede causar mini rayos y cómo aprovechar lo que puede ser una molestia para el uso en varias tecnologías modernas.

¿Qué son estas pequeñas chispas?

La electricidad estática se reduce a la fuerza interactiva entre cargas eléctricas. En la escala atómica, las cargas negativas son transportadas por pequeñas partículas elementales llamadas electrones. La mayoría de los electrones están cuidadosamente empaquetados dentro de la mayor parte de la materia, ya sea una piedra dura y sin vida o el tejido suave y vivo de su cuerpo. Sin embargo, muchos electrones también se encuentran justo en la superficie de cualquier material. Cada material diferente mantiene estos electrones de superficie con su propia fuerza característica diferente. Si dos materiales se rozan entre sí, los electrones pueden arrancarse del material "más débil" y encontrarse en el material con una fuerza de unión más fuerte.

Esta transferencia de electrones, lo que conocemos como una chispa de electricidad estática, ocurre todo el tiempo. Algunos ejemplos infames son los niños que se deslizan por el tobogán de un patio de recreo, los pies arrastrando los pies sobre una alfombra o alguien que se quita los guantes de lana para darse la mano.

Pero notamos su efecto con más frecuencia en los meses secos del invierno, cuando el aire tiene una humedad muy baja. El aire seco es un aislante eléctrico, mientras que el aire húmedo actúa como conductor. Esto es lo que sucede: en el aire seco, los electrones quedan atrapados en la superficie con la fuerza de unión más fuerte. A diferencia de cuando el aire está húmedo, no pueden encontrar la forma de fluir de regreso a la superficie de donde provienen, y no pueden volver a uniformar la distribución de las cargas.

Se produce una chispa eléctrica estática cuando un objeto con un excedente de electrones negativos se acerca a otro objeto con menos carga negativa, y el excedente de electrones es lo suficientemente grande como para que los electrones "salten". Los electrones fluyen desde donde ' Se construyó, como en usted después de caminar sobre una alfombra de lana, a la siguiente cosa que se contacta y que no tiene un exceso de electrones, como un pomo de la puerta.

Sentirás que los electrones saltan. (Crédito: Muhammed Ibrahim CC BY-ND)

Cuando los electrones no tienen a dónde ir, la carga se acumula en las superficies, hasta que alcanza un máximo crítico y se descarga en forma de un pequeño rayo. Dale a los electrones un lugar para ir, como tu dedo extendido, y seguramente sentirás el zumbido.

El poder de las mini chispas

Aunque a veces es molesto, la cantidad de carga en la electricidad estática suele ser bastante pequeña y bastante inocente. El voltaje puede ser aproximadamente 100 veces el voltaje de los tomacorrientes típicos. Sin embargo, estos enormes voltajes no son nada de qué preocuparse, ya que el voltaje es solo una medida de la diferencia de carga entre los objetos. La cantidad "peligrosa" es actual, lo que indica cuántos electrones fluyen. Dado que normalmente solo unos pocos electrones se transmiten en una descarga eléctrica estática, estos zaps son bastante inofensivos.

Sin embargo, estas pequeñas chispas pueden ser fatales para la electrónica sensible, como los componentes de hardware de una computadora. Las pequeñas corrientes transportadas por unos pocos electrones pueden ser suficientes para freírlos accidentalmente. Es por eso que los trabajadores de las industrias electrónicas tienen que permanecer "conectados a tierra". Estar conectado a tierra significa simplemente mantener una conexión por cable a tierra, lo que para los electrones se parece a una "casa" vacía de la carretera. La conexión a tierra se realiza fácilmente tocando un componente metálico o sosteniendo una llave en tu mano Los metales son muy buenos conductores, y los electrones están muy felices de ir allí.

Una amenaza más seria es una descarga eléctrica cerca de gases inflamables. Por eso es recomendable ponerse a tierra antes de tocar las bombas en las estaciones de servicio; no quieres una chispa extraviada para quemar los gases de la gasolina. O puede invertir en el tipo de pulsera antiestática que los trabajadores de las industrias electrónicas utilizan ampliamente para conectar a tierra a las personas antes de trabajar con componentes electrónicos muy sensibles. Evitan las acumulaciones estáticas usando una cinta conductora que se enrolla alrededor de su muñeca.

En las configuraciones donde unos pocos electrones pueden hacer un gran daño, los trabajadores usan muñequeras antiestáticas. (Crédito: Shutterstock)

En la vida cotidiana, el mejor método para reducir las acumulaciones de carga es hacer funcionar un humidificador para aumentar la cantidad de humedad en el aire. También mantener la piel húmeda aplicando un humectante puede hacer una gran diferencia. Las hojas de la secadora evitan que se acumulen cargas a medida que la ropa se seca al extender una pequeña cantidad de suavizante de telas sobre la tela. Estas partículas positivas equilibran los electrones sueltos y la carga efectiva se anula, lo que significa que su ropa no saldrá de la secadora y se pegará entre sí. Puede frotar el suavizante de telas en sus alfombras para evitar la acumulación de carga también. Por último, pero no menos importante, usar ropa de algodón y zapatos con suela de cuero es la mejor opción, en lugar de ropa de lana y zapatos con suela de goma, si realmente la ha tenido con electricidad estática.

Aprovechamiento de la electricidad estática

A pesar de la molestia y los posibles peligros de la electricidad estática, definitivamente tiene sus beneficios.

Muchas aplicaciones cotidianas de la tecnología moderna dependen fundamentalmente de la electricidad estática. Por ejemplo, las máquinas y fotocopiadoras Xerox utilizan la atracción eléctrica para "pegar" partículas de tonos cargadas en papel. Los ambientadores no solo hacen que la habitación huela bien, sino que realmente eliminan los malos olores al descargar la electricidad estática sobre las partículas de polvo, disimulando así el mal olor.

De manera similar, las chimeneas que se encuentran en las fábricas modernas usan placas cargadas para reducir la contaminación. Cuando las partículas de humo se mueven hacia arriba en la pila, recogen cargas negativas de una rejilla metálica. Una vez cargados, se sienten atraídos por las placas en los otros lados de la chimenea que están cargadas positivamente. Finalmente, las partículas de humo cargadas se recogen en una bandeja de las placas recolectoras y se pueden eliminar.

La electricidad estática puede atraer y atrapar partículas de contaminación cargadas antes de que sean emitidas desde las fábricas. (Crédito: Muhammed Ibrahim, CC BY-ND)

La electricidad estática también ha encontrado su camino hacia la nanotecnología, donde se utiliza, por ejemplo, para recoger átomos individuales mediante rayos láser. Estos átomos se pueden manipular para todo tipo de propósitos como en varias aplicaciones informáticas. Otra aplicación interesante en nanotecnología es el control de los nanoballoons, que a través de la electricidad estática se puede cambiar entre un estado inflado y un estado colapsado. Estas máquinas moleculares podrían algún día administrar medicamentos a tejidos específicos dentro del cuerpo.

La electricidad estática ha visto dos milenios y medio desde su descubrimiento. Aún así es una curiosidad, una molestia, pero también se ha demostrado que es importante para nuestra vida cotidiana.

Este artículo fue coautor de Muhammed Ibrahim, un ingeniero de sistemas en una empresa de software ambiental. Está realizando una investigación en colaboración con el Dr. Sebastian Deffner sobre la reducción de errores computacionales en las memorias cuánticas.

Sebastian Deffner, Profesor Asistente de Física, Universidad de Maryland, Condado de Baltimore

Este artículo se ha publicado de The Conversation bajo una licencia de Creative Commons. Lee el artículo original

                                
                                
                                

                                

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