- 2 clips metálicos

- una pajita o tubo de PVC transparente

- una bola de papel de aluminio

- un globo inflado o una varilla de acrílico (plexiglás o metacrilato)

- un trozo lana o seda

Inflamos el globo y lo frotamos en una superficie de lana, para que se cargue electrostáticamente. Con una mano sujetamos el dispositivo formado por 2 clips separados una distancia, dentro de una pajita o tubo de PVC transparente que contiene una pequeña bola de papel de aluminio. Lo sujetamos por el extremo de uno de los clips. Al acercar el globo cargado al otro clip, la bolita de aluminio empezara a moverse en el interior del tubo de un lado al otro, hasta que el globo se descarga completamente.

Explicación

Este dispositivo es una versión compacta y sencilla de una demostración clásica: la campana de Franklin, que aparece en la figura 2.  Existe una versión actualizada con latas metálicas, como en las figuras 3 (ver [1] y [2]), pero se requiere un generador van de Graaf o de Whimshurst.  En cambio, en esta propuesta basta la carga que proporciona un globo que se ha friccionado. En todos los casos sucede lo siguiente:

Si tenemos dos objetos metálicos separados entre sí y cargamos positivamente uno de ellos y negativamente el otro, generamos un campo eléctrico, E, entre ellos. Al colocar un objeto conductor en ese campo eléctrico, como por ejemplo una esfera metálica, éste se polariza, es decir, las cargas dentro del conductor se distribuyen en su superficie pasando a actuar como un dipolo. En cada lado se acumulan cargas de signo opuesto al campo eléctrico.

     Esto provoca que el lado de la esfera metálica con carga negativa inducida, sienta una atracción hacia el objeto metálico cargado positivamente y, a su vez, el lado opuesto de la esfera, con carga positiva inducida, se ve atraído por el objeto cargado negativamente. Esta fuerza de atracción entre cargas de signo opuesto viene explicada por la Ley de Coulomb:

con k =1/(4πε) (donde k toma el valor 8.99·10⁹ N·m²C^-2 en el vacío), q₁ y q₂ las cargas en Coulomb (C), r la distancia entre las cargas en metros (m) y F la fuerza de atracción o repulsión en Newton (N).

En una posición de equilibrio perfecto, la esfera estaría quieta en ese punto entre los dos objetos cargados eléctricamente.

Un ligero movimiento de la esfera metálica que lo acerque más a un lado que al otro hará que la esfera se mueva y llegue a tocar el objeto metálico, por ejemplo, el cargado positivamente. Esto hace que la esfera reciba una carga positiva y entonces, como tiene la misma carga que el objeto, se genera una fuerza de repulsión que la empuja en sentido contrario hacia el objeto cargado negativamente.

Por su energía cinética, la esfera no se detiene en la posición de equilibrio y llega al objeto cargado negativamente. Cuando lo toca, la esfera recibe una carga negativa y siente la fuerza de repulsión en sentido contrario, repitiendo el proceso anterior en un movimiento oscilatorio similar al de un péndulo simple.

En el dispositivo clásico, diseñado por Benjamin Franklin, los dos objetos metálicos son dos campanas que se utilizaban

para detectar cargas eléctricas, en especial las generadas por la electricidad estática atmosférica. Una campana estaba

conectada a un pararrayos (u otra fuente de alta tensión) y la otra campana a tierra. Una esfera metálica móvil

colgaba entre las campanas como un péndulo. Al cargarse las campanas, inducían cargas en la esfera metálica que iba

descargándose haciendo sonar las campanas (Figura 4).

En el dispositivo mostrado (Figura 5), los clips son los objetos metálicos cargados por el globo friccionado y

conectado a tierra por la persona que lo sujeta en el otro extremo. Con este dispositivo no es necesario generar un campo de tan alta tensión como con el dispositivo clásico. Basta con frotar dos materiales que estén los

suficientemente separados en la serie triboeléctrica (Figura 6).  

La serie triboeléctrica es un listado ordenado de materiales de acuerdo a su afinidad a ceder (cargarse positivamente) o captar electrones (cargarse negativamente) cuando se frotan con otros materiales. La mayor transferencia de carga ocurre cuando se frotan dos materiales que se encuentren en los extremos de la serie triboeléctrica. Así, si frotamos una varilla de vidrio con tela de poliéster, la varilla se cargará positivamente; si escogemos una varilla de PVC o un globo de goma con lana, la varilla o el globo se cargarán negativamente.

Esta práctica está relacionada con las prácticas 21 (Electroscopio), 98 (péndulo electrostático) y 100 (atracción electrostática)

[1] https://rimstar.org/science_electronics_projects/franklins_bell_how_to_make.htm

[2] https://www.youtube.com/watch?v=SY5Hh-8j_bA