Antes de comenzar, no dejen de ver este post de la práctica, con ejercicios para el fin de semana. Aunque la entrega de ejercicios es opcional, les aconsejo fuertemente que aprovechen la oportunidad, aún si dudan de si está bien lo que hicieron o si solo pudieron hacer una parte de los ejercicios. La entrega no va a pesar en la nota del curso, pero les va a permitir tener una devolución sobre cómo están resolviendo los ejercicios, y detectar posibles errores o problemas conceptuales. Y ahora sí:

Pará, pará, pará… En el último post de la teórica explicamos muy alegremente que las nubes se cargan por las colisiones entre cristales de hielo y graupel, de la misma forma que el vidrio se carga al frotarse con lana, o nuestro pelo al frotarse contra un globo. Hasta Bart Simpson lo sabe. Y esto está muy bien, Tales de Mileto (el del famoso teorema de Tales) ya sabía que el ámbar se carga eléctricamente al ser frotado con otros materiales. Estas primeras observaciones realizadas en la antigua Grecia (o más precisamente, en lo que hoy es Turquía) luego dieron inicio al estudio de las cargas eléctricas y a la electrostática. Jorge Luis Borges menciona las contribuciones de Tales en uno de sus poemas:

“Fue, en las cosmogonías, el origen secreto
de la tierra que nutre, del fuego que devora,
de los dioses que rigen el poniente y la aurora.
(Así lo afirman Séneca y Tales de Mileto.)“

Jorge Luis Borges, Poema del cuarto elemento (1964).

Pero ¿por qué pasa esto? Es un fenómeno al que estamos acostumbrados, y uno de los primeros fenómenos asociados al electromagnetismo que conoció la humanidad. Lo damos por hecho, nos parece natural y hasta nos puede parecer un efecto menor o fácil de entender (aunque no lo es). ¿Cuál es entonces su origen? El efecto se llama “triboeléctrico“, y ponerle un nombre no alcanza para que lo comprendamos (de hecho, el nombre a mi me sugiere la existencia de alguna tribu eléctrica o algo parecido).

El  fenómeno no es para nada sencillo de comprender. La descripción somera es la siguiente: ciertos pares de materiales, cuando se frotan entre si (y de hecho, alcanza con que simplemente entren en contacto) se cargan eléctricamente, uno con un exceso de cargas positivas, el otro con un exceso de cargas negativas. No todos los pares de materiales se cargan de la misma forma cuando se los frota: algunos tienen tendencia a siempre perder cargas negativas (y resultar cargados positivamente, como el nylon), otros tienen tendencia a siempre ganar cargas negativas (como el polyester). Algunos pares de materiales se cargan más que otros al ser frotados. Estos materiales realmente ganan (o pierden) cargas, las cargas que obtienen luego de ser frotados no son cargas de polarización. Y si la diferencia de carga es lo suficientemente grande, cuando nuevamente entran en contacto recuperan el balance de carga por la ruptura dieléctrica del aire, produciendo una chispa.

El mecanismo físico por el que esto ocurre no está totalmente entendido. Pero involucra al efecto túnel cuántico. Cuando dos cuerpos entran en contacto, las nubes electrónicas de los átomos en la superficie de cada material se superponen. Cada átomo corresponde a un mínimo de potencial, separados por un máximo asociado a la repulsión electrostática entre los electrones de ambas nubes, como muestra esquemáticamente la siguiente figura:

Si un mínimo es más chico que el otro (por propiedades de cada uno de los dos materiales), los electrones pueden atravesar el máximo que los separa preferentemente en una dirección, ya sea por agitación térmica, por excitación por fotones incidentes, o por efecto túnel (es decir, el efecto por el cual la función de onda de un electrón con energía menor a la barrera de potencial puede propagarse a través de esa barrera, y el electrón puede ser encontrado con probabilidad no nula del otro lado de la barrera de potencial). Y al separar los materiales, esos electrones se quedan atrás, en el otro material. Cuántos electrones pasan depende de las propiedades de cada material (la amplitud de los potenciales, la humedad relativa en el ambiente, etc.).

Pero para que lo entienda mi tía, ¿vos estás diciendo que cada vez que nos peinamos ocurre efecto túnel cuántico entre los electrones en el peine y en nuestro pelo? ¿Vos estás diciendo que podemos hacer experimentos de efecto túnel en nuestras casas usando lana y un vidrio, y que hasta podemos medirlo? ¿Y vos estás diciendo que solo por entrar en contacto o frotarse, un material se queda con los electrones del otro? Sí, estoy diciendo todo eso. ¿Pero cuántos electrones le arranca el material por frotamiento? ¡No se, hagamos la cuenta! Ciertos pares de materiales pueden obtener por frotamiento una densidad de carga superficial de hasta σ= 150  μC/m². Y la carga de cada electrón (en valor absoluto) es e = 1.6 x 10^-19 C. Luego, la cantidad de electrones arrancados puede alcanzar valores de

σ / e = 937.500.000.000.000 electrones por metro cuadrado.

Este parece ser un número enorme para intercambiar más tarde en una chispa:

Bonus: Diego Luna (@diegoalejandrol), graduado del DF que trabaja en el INTI, me pasó este paper que revisa varios resultados recientes sobre el efecto triboeléctrico. Los que quieran saber más sobre el tema pueden leerlo.