Electricidad estática: qué es, por qué da calambres y cómo funciona la ley de Coulomb
La electricidad estática es un desequilibrio de carga eléctrica que se acumula en la superficie de un objeto, normalmente cuando dos materiales se frotan y los electrones pasan de uno a otro. Las cargas iguales se repelen y las distintas se atraen con una fuerza F = k·q₁·q₂ / r². Un globo con 10 nC de carga extra ha ganado unos 6,2 × 10¹⁰ electrones. La carga se queda en su sitio en los aislantes y se escapa por los conductores y por el aire húmedo.
La electricidad estática es el chisporroteo de un jersey, el calambre del pomo de una puerta y el pelo que se levanta hacia un globo. Es carga eléctrica corriente que no tiene adónde ir. Esta guía explica de dónde viene la carga, resuelve los números con la ley de Coulomb, muestra por qué los calambres llegan con el aire seco del invierno y qué tamaño tiene en realidad una chispa, y dice cómo evitarlos. Al final, un capítulo de libro animado te deja fijar tú mismo las cargas y la distancia.
Ideas principales
- Al frotar pasan electrones, no protones: el objeto que gana electrones queda negativo y el que los pierde, positivo. Un electrón lleva 1,602 × 10⁻¹⁹ C.
- Ley de Coulomb: F = k·q₁·q₂ / r², con k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Dos cargas de 1 µC a 0,10 m se empujan o se atraen con unos 0,90 N, y al duplicar la distancia queda la cuarta parte de la fuerza.
- Una chispa en el aire necesita unos 3 × 10⁶ V/m, así que un hueco de 1 mm requiere unos 3000 V. La energía de esa chispa es de solo medio milijulio: asusta, pero no hace daño.
- El aire seco, los tejidos sintéticos y las suelas aislantes dejan que la carga se acumule; el aire húmedo, el metal y las fibras naturales dejan que se escape.
De dónde viene la electricidad estática
La palabra griega para el ámbar es elektron, y escritores antiguos atribuyen a Tales de Mileto, hacia el año 600 a. C., haber notado que el ámbar frotado atrae plumas. Hoy sabemos por qué. Los átomos tienen protones positivos, que están bien fijos en el núcleo, y electrones negativos, que se pueden arrancar. Al frotar dos materiales, algunos electrones pasan de uno a otro, y uno queda un poco negativo y el otro un poco positivo. La carga se mide en culombios, y un electrón lleva 1,602 × 10⁻¹⁹ C. Un globo con 10 nC (10⁻⁸ C) de carga extra ha ganado unos 10⁻⁸ / 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 6,2 × 10¹⁰ electrones, una cifra enorme que sigue siendo una fracción mínima de los electrones del caucho.
Qué material se queda con los electrones depende de la pareja. El caucho suele quitárselos al pelo, de modo que el globo queda negativo y el pelo positivo, y las cargas nunca se crean, solo se mueven: el total no cambia. Las listas llamadas series triboeléctricas ordenan los materiales según lo fácilmente que ganan electrones, pero son solo una guía aproximada, y la física detallada de la carga por contacto todavía se investiga.
Empujar y atraer: la ley de Coulomb con números
Las cargas iguales se empujan y las distintas se atraen. En 1785 Charles-Augustin de Coulomb midió la fuerza con una delicada balanza de torsión y halló F = k·q₁·q₂ / r². F es la fuerza en newtons, q₁ y q₂ son las cargas en culombios, r es la distancia entre ellas en metros y k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Como r está al cuadrado, el doble de distancia significa la cuarta parte de la fuerza. Para dos cargas de 1 µC (10⁻⁶ C) a 0,10 m, F = 8,99 × 10⁹ × 10⁻⁶ × 10⁻⁶ / 0,10² = 8,99 × 10⁻³ / 0,01 ≈ 0,90 N, casi el peso de una manzana de 90 g. A 0,20 m la fuerza cae a unos 0,22 N.
Un globo cargado también se pega a una pared neutra. Su carga empuja un poco las cargas del interior de la pared: las de signo opuesto se acercan ligeramente y las del mismo signo se alejan, así que gana la atracción del lado cercano. La pared sigue siendo neutra en conjunto, y aun así el globo es atraído. El mismo efecto levanta trocitos de papel y curva un hilo fino de agua del grifo hacia un globo cargado.
Puedes notar todo esto en la mesa de la cocina con un globo y nada más. Frótalo contra pelo seco o un jersey de lana, acércalo unos centímetros a trocitos de papel y luego a un hilo fino de agua del grifo. Quédate con globos y pilas: para estas pruebas nunca uses el enchufe de la red ni ningún aparato de alto voltaje.
Por qué dan calambres y qué tamaño tiene una chispa
Caminar por una alfombra con zapatos sintéticos frota carga sobre tu cuerpo. Las suelas aislantes y el aire seco la retienen, y tu potencial puede subir a varios miles de voltios. Toca un tirador metálico y la carga salta los últimos milímetros en forma de chispa. El aire se rompe a unos 3 × 10⁶ V/m, así que un hueco de 1 mm necesita 3 × 10⁶ × 0,001 = 3000 V y uno de 1 cm unos 30 000 V. Lo habitual es empezar a notar una chispa hacia los 3000 V.
El pinchazo es desproporcionado respecto a la energía. Un cuerpo almacena unos 100 pF, así que la energía liberada a 3000 V es E = ½·C·V² = ½ × 100 × 10⁻¹² × 3000² = 4,5 × 10⁻⁴ J, unos 0,45 mJ. Es millones de veces menos que lo que guarda una pila AA, y por eso este calambre asusta pero no hiere. Las chispas importan junto a vapores de combustible, polvo inflamable y electrónica delicada, donde una descarga diminuta puede encender una mezcla o dañar un chip; por eso en los talleres se usan pulseras con toma de tierra y las gasolineras llevan avisos.
Para reducir los calambres, sube la humedad, porque una fina película de agua sobre las superficies deja escapar la carga. Usa fibras naturales y suelas de cuero, y toca un objeto metálico antes de tocar a otra persona o un aparato. Si tocas el pomo de la puerta con una llave, la chispa salta desde el metal y apenas la notas.
Conductores, aislantes y el rayo
En un cable de cobre cada átomo suelta un electrón exterior que vaga libremente, así que la carga fluye con facilidad. En el vidrio, el caucho y el plástico seco los electrones siguen ligados a sus átomos, y la carga se queda donde se puso. La resistividad del cobre es de unos 1,7 × 10⁻⁸ Ω·m, mientras que la del vidrio es de al menos 10¹⁰ Ω·m, más de 10¹⁷ veces mayor. Por eso una bola de metal reparte su carga por toda la superficie en un instante mientras que una varilla de vidrio la mantiene en un punto, y por eso un cable es metal envuelto en plástico.
Un generador de Van de Graaff lleva la idea al extremo. Una cinta de caucho en movimiento sube carga a una cúpula metálica hueca, y las máquinas grandes alcanzan millones de voltios. Quien se sube a un taburete aislante y apoya la mano en la cúpula se carga, todos sus cabellos llevan el mismo signo y las hebras se repelen y se abren. La carga es pequeña, así que el calambre es leve, pero esa máquina solo debe usarse en una clase supervisada. El rayo es electricidad estática a gran escala, con corrientes de decenas de miles de amperios. No experimentes nunca con él. Si se oyen truenos, quédate dentro de un edificio, y trata la cometa de Franklin como historia, no como experimento.
La carga estática en el VJOURNAL SMART BOOK
El capítulo «Electricidad estática y carga» del libro de física VJOURNAL SMART BOOK (volumen II) en VITON13 SCHOOL se abre con un trozo de ámbar y un paño de lana. Junto a cada párrafo hay una escena 3D viva: dos globos cargados que se separan o se juntan, flechas que se apartan con cargas iguales y se acercan con cargas distintas, nubes sobre una casita con pararrayos, carga que se reparte por una bola metálica pero no por el vidrio, y un generador de Van de Graaff que levanta el pelo. Bajo la imagen, un laboratorio te permite fijar las dos cargas y la distancia y leer la fuerza.
Úsalo como comprobación de esta guía: dos cargas de 1 µC a 0,10 m deben marcar unos 0,90 N, y a 0,20 m unos 0,22 N. Todo en el capítulo ocurre en la página, sin red eléctrica y sin tormenta.
En palabras sencillas
Imagina la electricidad estática como cargas diminutas que no tienen adónde ir. Frota un globo contra tu pelo y algunos electrones saltan del pelo al globo. Ahora el globo tiene electrones de más y al pelo le faltan, y las cargas opuestas se atraen, por eso el pelo se levanta hacia el globo.
Pruébalo
En el laboratorio del capítulo de carga estática, fija dos cargas de 1 µC y una distancia de 0,10 m y anota la fuerza. Después cambia la distancia a 0,20 m y compara.
Resultado esperado
Unos 0,90 N a 0,10 m y luego unos 0,22 N a 0,20 m: el doble de distancia, la cuarta parte de la fuerza.
Comprueba tu respuesta: Dos cargas positivas de 2 µC y 3 µC están a 0,30 m. ¿Qué fuerza hay entre ellas y se empujan o se atraen?
F = 8,99 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ × 3 × 10⁻⁶ / 0,30² = 0,0539 / 0,09 ≈ 0,60 N. Las cargas tienen el mismo signo, así que se empujan.
Preguntas y respuestas
¿Qué causa la electricidad estática?
El contacto y el roce entre dos materiales mueven electrones de uno a otro. Un objeto se queda con electrones de más y carga negativa, y el otro con una falta y carga positiva. En los aislantes el desequilibrio se queda en su sitio.
¿Por qué dan más calambres en invierno?
El aire frío del invierno, y el de las habitaciones con calefacción, lleva poca humedad. Con menos agua en las superficies, la carga no se escapa y se acumula en ti hasta que salta una chispa hacia un objeto metálico.
¿Por qué se pega un globo a la pared tras frotarlo con el pelo?
El globo lleva carga negativa, que desplaza las cargas de la pared neutra de modo que el lado positivo queda frente al globo. Las cargas opuestas más cercanas atraen más de lo que las iguales más lejanas empujan, así que el globo es atraído.
¿Es peligrosa la electricidad estática?
Los calambres corrientes son inofensivos para las personas: unos 0,5 mJ a 3000 V. El peligro está donde una chispa puede encender vapor de gasolina, polvo inflamable o gases, o dañar piezas electrónicas. El rayo es electricidad estática a gran escala y es mortal.
¿Cómo se elimina la electricidad estática?
Dale a la carga un camino por donde irse: sube la humedad, usa fibras naturales, toca un objeto metálico o ponte una pulsera con toma de tierra al trabajar con electrónica. Los suavizantes y los aerosoles antiestáticos hacen la superficie algo conductora.
¿En qué se diferencia la electricidad estática de la corriente eléctrica?
En la electricidad estática la carga se queda en un sitio. En la corriente eléctrica la carga fluye por un circuito cerrado. Es el mismo tipo de carga: una chispa es una corriente breve que descarga la acumulación estática.
Frota un globo, mira cómo saltan los papelitos y comprueba después los números: dos cargas de 1 µC a 0,10 m dan 0,90 N. Abre el capítulo de carga estática y prueba otras distancias en el laboratorio.
Fuentes y lecturas
- OpenStax College Physics 2e: Static electricity and charge, conservation of charge ↗Fuentes revisadas:
- OpenStax University Physics Volume 2: Coulomb’s law ↗Fuentes revisadas:
- HyperPhysics: Electric force ↗Fuentes revisadas:
- HyperPhysics: Van de Graaff generator ↗Fuentes revisadas: