Energía Estática

La energía estática es un tipo de energía potencial que surge de la interacción electromagnética entre partículas cargadas, las cuales ocupan posiciones particulares y generan campos de fuerza constantes que definen la clase de interacción, bien sea de atracción o de repulsión. Las partículas cargadas forman un sistema, en el cual se mantienen en equilibrio electrostático a medida que transcurre el tiempo.

En la naturaleza, la energía estática es visible durante las tormentas eléctricas.

Técnicamente, la energía estática es conocida como energía potencial electrostática, ya que intervienen las fuerzas conservativas de Coulomb, que son similares a las fuerzas gravitacionales, por salvo por el hecho de que pueden ser tanto atractivas como repulsivas. No obstante, por ser semejantes a las fuerzas de Newton, la intensidad de las fuerzas de Coulomb disminuyen si la distancia entre las partículas cargadas aumenta.

Las principales bondades de la energía estática son la generación y la acumulación de electricidad, las cuales son aprovechadas y explotadas en los condensadores de los circuitos de computadoras, smartphones, tablets, etc. Asimismo, la energía estática es muy usada en los centros de investigación para producir colisiones en los aceleradores de partículas.

Ejemplos

La energía estática está presente en muchas facetas de la vida cotidiana, ya que además de proporcionar la electricidad para nuestros dispositivos modernos, esta puede ser encontrada en la naturaleza. Así pues, algunos de los ejemplos de energía estática más llamativos son estos:

Electricidad estática

Bobina de Tesla.

La electricidad estática es un fenómeno que se debe a la acumulación excesiva de carga eléctrica (positiva o negativa) en un material (conductor o aislante). Luego, se origina una descarga electrostática debido a que al material cargado se le acerca un conductor o un material con la polaridad opuesta. En la naturaleza, las descargas electrostáticas se manifiestan como rayos. Pero, en la electrónica este fenómeno es considerado perjudicial para los dispositivos.

Generador de Van de Graaff


El generador de Van de Graaff es un generador electrostático que produce altas diferencias de potencial, siendo usado acelerar partículas cargadas, haciéndolas colisionar contra objetivos fijos. Este generador está compuesto por un cilindro hueco de material aislante y una esfera metálica hueca. El cilindro contiene un sistema de poleas, un par de electrodos y peines, y un generador de alta tensión conectado a tierra. El objetivo es cargar positivamente la esfera, para producir descargas electroestáticas.

Condensadores


Los condensadores son componentes de los circuitos electrónicos, cuyo papel se centra en el almacenamiento de energía estática. Para lograr el almacenamiento cuenta con un par de placas conductoras, que están separadas por un aislante, y una vez estén conectadas a la fuente de alimentación estarán cargadas, pero con polaridad diferente.

Cómo se produce la energía estática

Como se mencionó al inicio del post, la energía estática se produce por la interacción electromagnética entre partículas cargadas, al momento de desplazar una respecto a otra, las cuales constituyen un sistema en el que ocupan posiciones fijas.

Bio-generador, utiliza biomasa para producir energía electrostática.

La interacción electromagnética se manifiesta clásicamente como una fuerza, llamada fuerza de Coulomb, la cual es muy parecida a las fuerzas gravitacionales, porque está sujeta a la ley de la inversa del cuadrado de la distancia. Además, gracias a que la fuerza de Coulomb obedece también el principio de conservación de energía, es posible almacenar la energía estática del sistema.

A su vez, la interacción electromagnética entre partículas cargadas se transmite mediante líneas de fuerza, que conforman un campo eléctrico y definen el signo de la fuerza. Por ello, la energía estática puede ser positiva o negativa.

Cómo funciona

Para comprende cómo funciona la energía estática es necesario tocar los siguientes aspectos de la física, que establece el mecanismo detrás de este tipo de energía:

En 1cm de distancia una chispa eléctrica puede alcanzar los 1000 voltios.
  • Ley de Coulomb: establece que la fuerza electrostática, atractiva o repulsiva, es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas.
  • Campo eléctrico: toda partícula cargada generada un campo eléctrico, que puede ser positivo o negativo, siendo éste un conjunto de líneas o curvas que determinan las cualidades de la interacción electromagnética.
  • Ley de Gauss: es un teorema que determina el sentido y la intensidad de un flujo eléctrico dado por el campo eléctrico de una partícula cargada.

Usos

La energía estática tiene múltiples usos gracias a que permite obtener electricidad, la cual es dirigida a diferentes objetivos. De todos los usos de la energía estática destacamos los siguientes:

Acelerador de partículas
  1. Almacenamiento de energía en los circuitos electrónicos mediante condensadores.
  2. Generación de electricidad estática para la impresión xerográfica de imágenes.
  3. Creación de elevados potenciales eléctricos para colisionar partículas en aceleradores.

Fórmula matemática

La fórmula matemática de la energía estática está definida por la clásica ecuación del trabajo:

\[ E=\frac {k*Q*q}{r}\]

Siendo:

\[ k=\frac{1}{4*\pi*\epsilon_{0}}\]

Dónde:

  • E: energía potencial electrostática.
  • Q: carga fija.
  • q: carga móvil.
  • r: distancia entre las partículas cargadas.
  • k: constante electroestática de Coulomb.
  • \[\epsilon_{0}\]: constante dieléctrica del vacío (8,85 x10-12 C2*N-1*m-2).