Si cruzas una alfombra con calcetines de lana, hay muchas posibilidades de que el próximo pomo que toques te sorprenda con una chispa. La electricidad estática es tan común que es fácil olvidar lo extraño que es.
Pero, ¿qué sucede realmente cuando te encuentras con esas chispas?
El antiguo filósofo y matemático griego Tales de Mileto fue el primero en describir la electricidad estática, en el siglo VI a.C., pero los científicos han luchado durante décadas para responder a esa pregunta básica. Sin embargo, los investigadores que trabajan en la nanoescala han dado un gran paso adelante en la búsqueda para comprender por qué frotar dos superficies juntas puede provocar un shock.
No importa cuán lisa parezca una superficie, cuando acercas lo suficiente, notarás golpes y picaduras. Los científicos llaman a estas imperfecciones "asperezas". Cada superficie, desde globos hasta fibras como lana o cabello, está cubierta de asperezas microscópicas. Y estas características son responsables de producir electricidad estática, dijo Christopher Mizzi, un candidato a doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois.
En un estudio publicado en septiembre en la revista Physical Review Letters, Mizzi y sus coautores compararon las imperfecciones invisibles en los objetos cotidianos con la superficie de la Tierra. Si miras a la Tierra desde lejos, el planeta "se ve muy suave, como una esfera perfecta", dijo Mizzi. Sin embargo, sabemos que, en realidad, la Tierra está lejos de ser suave, pero hay que mirarla de cerca para ver eso. Es solo cuando "te acercas lo suficiente como para notar que hay montañas y colinas", dijo. Del mismo modo, los objetos familiares se ven suaves hasta que se ven de cerca.
Cuando las superficies de dos objetos se rozan entre sí, sus asperezas se juntan, creando fricción. Los científicos han sabido durante mucho tiempo que la fricción juega un papel en la electricidad estática. (De hecho, el término científico para electricidad estática, triboelectricidad, comparte una raíz con la tribología, que es el estudio de la fricción).
En el nuevo estudio, Mizzi y sus coautores mostraron cómo las asperezas que causan fricción también causan una sorprendente diferencia en la carga eléctrica.
Algo inusual acerca de la electricidad estática es que es más fácil de producir utilizando materiales que restringen la electricidad conocidos como aislantes; Estos incluyen caucho, lana y cabello. En la electricidad actual, la forma cotidiana de electricidad que alimenta teléfonos, luces y casi todos los demás dispositivos electrónicos, los electrones crean corrientes al fluir a través de los átomos en materiales conductores, como el alambre de cobre. Pero los átomos de los aisladores no dejan que los electrones entren y salgan fácilmente; se ganan su nombre inhibiendo el flujo de electrones.
Mizzi y sus colegas descubrieron que la electricidad estática se produce cuando las asperezas en los aisladores se rozan entre sí e interfieren con las nubes de electrones. Como los electrones en los aisladores no pueden moverse fácilmente, ese roce puede deformar las nubes de electrones.
En esos materiales, la nube de electrones alrededor de los átomos suele ser simétrica. Cuando miras estas nubes, "no puedes distinguir desde abajo, de izquierda a derecha", dijo Mizzi.
Pero si aprietas esa nube de electrones, se deforma y se vuelve asimétrica. En las circunstancias correctas, esa nueva forma puede distribuir el voltaje de manera desigual en todo el material, explicó Mizzi.
¿Qué tiene esto que ver con los calcetines de lana en la alfombra? A medida que camina con este tipo de calzado, la combinación del peso de su cuerpo y su movimiento de zancada hace que las fibras de sus calcetines se deslicen contra las fibras de la alfombra. Cuando los dos materiales se frotan entre sí de esta manera, los golpes en una superficie se arrastran a lo largo de las asperezas en la superficie opuesta, haciendo que se doblen. Cuando ocurre esta flexión, las nubes de electrones en los átomos que forman las asperezas se aplastan en formas asimétricas, causando una muy, muy pequeña diferencia en el voltaje.
Aunque pequeños, estos cambios en el voltaje se suman. Las asperezas son tan numerosas que el aplastamiento de las nubes de electrones causa una acumulación significativa de electricidad estática, una lo suficientemente poderosa para que la sientas cuando tocas el pomo de la puerta o le das la mano a alguien.
Esta nueva comprensión de la electricidad estática podría influir en los científicos que desarrollan telas que producen energía generada por fricción para cargar dispositivos portátiles, lo que podría hacer que los productos sean más eficientes. Y con una mejor comprensión de qué materiales no pueden crear electricidad estática fácilmente, los ingenieros pueden trabajar para crear entornos de fabricación más seguros, por ejemplo, eliminando las partículas de polvo que pueden provocar incendios al frotarse entre sí.
"Cuando tienes un modelo, puedes comenzar a hacer predicciones", dijo Mizzi.
