¿CÓMO LEVITAR CON LA FUERZA ELÉCTRICA?
Sería genial no tener que estar sujetos a la gravedad y poder levitar cuando se nos antoje — sin usar aire o alguna propulsión—, sin embargo esto no es posible, al menos no con nuestro peso. Pero ¿no podemos hacer levitar pequeños objetos, aunque sea solo para jugar? Pues sí, sí se puede, y aquí veremos cómo usar la fuerza eléctrica para lograrlo.
Antes de llegar a la fuerza eléctrica debemos repasar qué son los electrones, porque, en resumidas cuentas, ellos la provocan. Debemos saber que todo lo que nos rodea está hecho de átomos: los átomos se unen y forman moléculas, muchas moléculas interactúan y forman materiales como plásticos, metales, etc., o sistemas más complejos como las células (que nos conforman a los seres vivos).
A su vez, los átomos están formados por tres partículas elementales: protones, neutrones y electrones. Los protones son partículas con carga positiva, los neutrones tienen carga neutra, y ambos se encuentran muy juntos en el núcleo del átomo. En cambio, los electrones —que son partículas con carga negativa— se mueven constantemente alrededor del núcleo y son muy “livianos”, lo que los vuelve fáciles de remover en algunos materiales.
Pero, ¿qué es la carga?
La carga elemental es una constante fundamental de la naturaleza (que existe y seguirá existiendo porque… bueno… en realidad nadie lo sabe, solo la conocemos porque la hemos medido) cuyo valor se ha determinado experimentalmente y es de 1.602 x 10-19 coulombs (sí, así se llama la unidad de medida de carga eléctrica: coulomb, y se representa con una C). Y la carga eléctrica total de cualquier objeto se determina como un múltiplo de esta carga elemental (e, para abreviar).
Regresemos a los átomos. Los átomos buscan mantener la misma cantidad de protones que de electrones: un electrón tiene una carga de –e (ya que es negativa) y un protón tiene carga +e (positiva), de forma que la carga total (suma de todas las cargas) sea neutra (- e + e = 0).
Pero hay casos en que los átomos terminan cargados, esto sucede con materiales donde suele ser fácil que los electrones se muevan de su lugar: a veces porque tienen más electrones que protones (y quedan con carga negativa) y otras porque pierden electrones, quedando con carga positiva.
¿Cómo aprovechamos las cargas eléctricas para hacer que las cosas leviten?
Hay una regla (que nos aprendimos desde niños): las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen. Esta es una base de la ley de Coulomb[1], la cual describe la naturaleza de la fuerza entre cargas eléctricas y nos demuestra que es unas 1039 veces más poderosa que la fuerza gravitacional.
por la regla de que “cargas iguales se repelen”, no podemos reunir las suficientes para que el cuerpo humano pueda flotar, pero sí podemos cargar objetos pequeños y hacerlos levitar.
Entonces, ¿podemos cargar dos objetos con la misma carga para que se repelan entre sí y así ir en contra de la fuerza de gravedad? Lamentablemente, debido a la regla de que “cargas iguales se repelen”, no podemos reunir las suficientes para que el cuerpo humano pueda flotar de manera estable, pero sí podemos cargar objetos pequeños (o delgados) y hacerlos levitar.
¡Ahora quiero hacerlo en mi casa!
Pues es tan sencillo como el típico experimento de frotar un globo contra tu pelo, pero esta vez, para hacerlo mejor, tratemos de entender cómo funciona.
Ya dijimos que los electrones se pueden mover de un átomo a otro haciendo que se carguen, pero ¿cómo lo provocamos? Pues cuando dos cuerpos están en contacto y se separan de nuevo rápidamente los electrones se pueden quedar más de un lado que del otro (de ahí que funcione con solo frotar el globo contra tu pelo). Cuanto mayor es la presión con que los juntas o más rápido los separas, mayor es la carga. Pero también hay que considerar otros factores como el material y sus propiedades físicas y eléctricas, la temperatura y la humedad.
Es importante considerar el material ya que en algunos los electrones se mueven tan fácil que en cuanto uno se va otro puede llegar rápidamente de los alrededores. Este es el caso de los conductores, como los metales. Así que, lo ideal sería un material en donde los electrones se muevan con mayor dificultad y así podamos cargar más y mejor un área, estos serían los materiales aislantes, como el plástico. Otro factor por considerar es la humedad, ya que, si hay demasiada, podría crear una capa (semi)conductiva sobre el material (independientemente de si es un aislante), y tendríamos el mismo efecto que si fuera un conductor.
un concepto que se lee tan abstracto como la fuerza eléctrica está presente en nuestro día a día y puede usarse hasta para jugar.
Para nuestro experimento usaremos materiales aislantes: un globo (de poliuretano o látex) y una tira de una bolsita de plástico (pero iremos por lo seguro con algo ligero). Los frotaremos para cargarlos. Recuerda que no podemos frotarlos uno contra el otro… ¿por qué? (si prestaste atención, podrás apantallar a todos con la respuesta correcta). Entonces usaremos un trapito de lana[2]. Si están lo suficientemente cargados, la fuerza de repulsión entre ellos vencerá a la fuerza de gravedad.
Una vez que entendemos el principio podemos probar con distintos arreglos y distintos materiales, como en las imágenes. Eso sí, recuerda que los átomos tratarán de volver a su estado neutro, así que el efecto podría no durar mucho tiempo.
Y así vemos que un concepto que se lee tan abstracto como la fuerza eléctrica está presente en nuestro día a día y puede usarse hasta para jugar.
Referencias:
- Resnick, R., Halliday, D. & Krane, K. (2017). Física. Vol. 2. (5ta edición) (5.a ed.). Grupo Editorial Patria S.A. de C.V.
- Electricidad estática. (s. f.). https://www.uv.es/uvweb/servicio-prevencion-medio-ambiente/es/salud-prevencion/unidades/unidad-seguridad-trabajo/electricidad-estatica-1285900431978.html
- ¿Qué es la electricidad estática? (s. f.). https://www.simco-ion.es/descargas/que-es-la-electricidad-estatica
- Vera, F., Villanueva, J. & Ortiz, M. (2018). Revelando el signo de las cargas eléctricas usando un detector de polaridad entretenido. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 15(2), 7-9. https://www.redalyc.org/journal/920/92053848013/92053848013.pdf
- Colaboradores de Wikipedia. (2022, 18 noviembre). Electrón. Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n
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[1] La ley de Coulomb es muy importante ya que, incorporada a la física cuántica, describe correctamente las fuerzas que unen los electrones de un átomo a su núcleo, las fuerzas que enlazan los átomos para que formen moléculas y las fuerzas que ligan átomos y moléculas para que se formen líquidos o sólidos.
[2] Se ha comprobado que la lana cede electrones fácilmente.
