Electricidad Estática
La electricidad estática es una acumulación de carga eléctrica en la superficie de un objeto, usualmente por frotamiento, que permanece hasta que se descarga.
Definition
La electricidad estática es carga eléctrica que se acumula en algo y permanece ahí en vez de escurrirse, a menudo por frotar dos cosas entre sí, y el choque que se siente después de arrastrar los pies por una alfombra y tocar una perilla es esa electricidad estática moviéndose finalmente, saltando a través del camino que la perilla le dio. Es un desequilibrio de carga en la superficie de un objeto, producido cuando los electrones se mueven entre materiales por fricción, conducción o inducción, con el objeto cargado atrayendo o repeliendo a otros ya que las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen, y la carga permanece en los aislantes hasta que se descarga, a veces como una chispa visible. Formalmente es una carga neta $Q$ gobernada por la ley de Coulomb, $F = kq_1q_2/r^2$ con $k = 8.99 \times 10^9\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$; la separación de carga por contacto (el efecto triboeléctrico) depende de las afinidades electrónicas relativas de los materiales, y en un conductor el exceso de carga se concentra en las puntas afiladas, donde el campo es más fuerte, así que cuando el campo excede la rigidez dieléctrica del aire, unos $3 \times 10^6\ \text{V/m}$, el aire se ioniza y las chispas descargan el objeto, y una esfera aislada de radio $R$ a potencial $V = kQ/R$ tiene una capacitancia $C = 4\pi\varepsilon_0 R$.
Example
Frotar un globo en el cabello hace que se pegue a una pared, y frotar una barra de plástico con lana transfiere electrones a la barra, dejándola negativa y a la lana positiva, así que acercar la barra a un chorro delgado de agua del grifo dobla el chorro hacia ella conforme la barra atrae el lado positivo de las moléculas de agua. Una persona que camina sobre una alfombra adquiere unos $-1\ \mu\text{C}$ de carga, y con una capacitancia corporal de aproximadamente $100\ \text{pF}$ eso da un potencial de $V = Q/C = 10^{-6}/10^{-10} = 10{,}000\ \text{V}$, suficiente para saltar un espacio de $3\ \text{mm}$, aunque la energía almacenada es solo $\tfrac{1}{2}CV^2 = 5\ \text{mJ}$, por eso el choque pica pero no hace daño, aunque esa misma chispa diminuta puede destruir un chip de computadora.
Key Insight
Los choques estáticos son peores en invierno porque el aire seco es un mejor aislante, mientras que el aire húmedo del verano deja que la carga se escurra silenciosamente antes de que pueda acumularse lo suficiente como para chispear. Un rayo es electricidad estática a escala planetaria: cristales de hielo y granizo blando frotándose dentro de una nube de tormenta separan la carga hasta que el campo a través de kilómetros de aire excede la ruptura, y una chispa que lleva decenas de miles de amperios cruza el espacio.