Efecto triboeléctrico

Efecto de triboelectricidad: cacahuetes de estirofoam aferrados a la piel de un gato debido a la electricidad estática. El efecto triboeléctrico causa una carga electrostática para acumularse en la piel debido a los movimientos del gato. El campo eléctrico de las cargas resulta en una ligera atracción de las piezas de plástico ligero a la piel cargada. El efecto triboeléctrico es también la causa de la fijación estática en la ropa.

El efecto triboeléctrico (también conocido como carga triboeléctrica) es un tipo de electrificación por contacto en el que ciertos materiales se cargan eléctricamente después de separarlos de un material diferente con el que estaban en contacto. Frotar los dos materiales entre sí aumenta el contacto entre sus superficies y, por lo tanto, el efecto triboeléctrico. Frotar vidrio con piel, por ejemplo, o un peine de plástico a través del cabello, puede generar triboelectricidad. La mayoría de la electricidad estática cotidiana es triboeléctrica. La polaridad y la fuerza de las cargas producidas difieren según los materiales, la rugosidad de la superficie, la temperatura, la tensión y otras propiedades.

El efecto triboeléctrico es muy impredecible y solo se pueden hacer amplias generalizaciones. El ámbar, por ejemplo, puede adquirir una carga eléctrica por contacto y separación (o fricción) con un material como la lana. Esta propiedad fue registrada por primera vez por Tales de Mileto. La palabra "electricidad" se deriva de la acuñación inicial de William Gilbert, "electra", que se origina en la palabra griega para ámbar, < i lang="grc-Latn">ēlektron. El prefijo tribo- (Griego para 'rub ') se refiere a 'fricción', como en tribología. Otros ejemplos de materiales que pueden adquirir una carga significativa cuando se frotan entre sí incluyen el vidrio frotado con seda y el caucho duro frotado con piel.

Un ejemplo muy familiar podría ser el frotamiento de un bolígrafo de plástico en una manga de casi cualquier material típico como algodón, lana, poliéster o tela mezclada que se usa en la ropa moderna. Tal bolígrafo electrificado atraería y recogería rápidamente trozos de papel de menos de un centímetro cuadrado cuando el bolígrafo se acerque. Además, dicho bolígrafo repelerá un bolígrafo electrificado de manera similar. Esta repulsión es fácilmente detectable en la configuración sensible de colgar ambos bolígrafos en hilos y colocarlos cerca uno del otro. Tales experimentos conducen fácilmente a la teoría de dos tipos de carga eléctrica cuantificable, siendo uno efectivamente el negativo del otro, con una simple suma respetando los signos dando la carga total. La atracción electrostática del bolígrafo de plástico cargado hacia las piezas de papel neutras sin carga (por ejemplo) se debe a la separación temporal de la carga (polarización eléctrica o momento dipolar) de las cargas eléctricas dentro del papel (o quizás alineaciones de dipolos eléctricos atómicos o moleculares permanentes). Entonces surge una fuerza neta a medida que las cargas ligeramente más cercanas del dipolo son atraídas con más fuerza en el campo no uniforme de la pluma que disminuye con la distancia. En un campo eléctrico uniforme, por ejemplo dentro de placas de condensadores paralelas, se produciría una polarización temporal en los pequeños trozos de papel pero con una atracción neta cero.

Ahora se considera que el efecto triboeléctrico está relacionado con el fenómeno de la adhesión, donde dos materiales compuestos por diferentes moléculas tienden a unirse debido a la atracción entre las diferentes moléculas. Si bien la adhesión no es un enlace químico entre átomos, existe un intercambio de electrones entre los diferentes tipos de moléculas, lo que resulta en una atracción electrostática entre las moléculas que las mantienen unidas. La separación física de los materiales que se adhieren entre sí da como resultado la fricción entre los materiales. Debido a que la transferencia de electrones entre moléculas en los diferentes materiales no es inmediatamente reversible, el exceso de electrones en un tipo de molécula permanece atrás, mientras que en el otro ocurre un déficit de electrones. Por lo tanto, un material puede desarrollar una carga positiva o negativa (ver también electricidad estática) que se disipa después de que los materiales se separan.

Los mecanismos de triboelectrificación (o electrificación por contacto) se han debatido durante muchos años, con posibles mecanismos que incluyen la transferencia de electrones, la transferencia de iones o la transferencia de especies del material. Estudios recientes en 2018 utilizando microscopía de sonda Kelvin y nanogeneradores triboeléctricos revelaron que la transferencia de electrones es el mecanismo dominante para la triboelectrificación entre sólido y sólido. El modelo de función de trabajo se puede utilizar para explicar la transferencia de electrones entre un metal y un dieléctrico. El modelo de estados superficiales se puede utilizar para explicar la transferencia de electrones entre dos dieléctricos. Para un caso general, dado que la triboelectrificación ocurre para cualquier material, Wang propuso un modelo genérico, en el que la transferencia de electrones es causada por una fuerte superposición de nubes de electrones entre dos átomos para la barrera de potencial interatómico reducida al acortar la longitud de enlace. Con base en el modelo, se investigaron los efectos de la temperatura y la fotoexcitación en la triboelectrificación. Dicho modelo puede extenderse aún más a los casos de líquido-sólido, líquido-líquido e incluso gas-líquido.

Un nanogenerador que emplea el efecto triboeléctrico para generar electricidad

Serie triboeléctrica

Una serie triboeléctrica es una lista de materiales, ordenados por ciertas propiedades relevantes, como la rapidez con la que un material desarrolla una carga en relación con otros materiales de la lista. Johan Carl Wilcke publicó el primero en un artículo de 1757 sobre cargas estáticas. Los materiales a menudo se enumeran en orden de polaridad de separación de carga cuando se tocan con otro objeto. Un material hacia la parte inferior de la serie, cuando se toca con un material cerca de la parte superior de la serie, adquirirá una carga más negativa. Cuanto más lejos estén dos materiales uno del otro en la serie, mayor será la carga transferida. Es posible que los materiales cercanos entre sí en la serie no intercambien ningún cargo, o incluso pueden intercambiar lo contrario de lo que implica la lista. Esto puede ser causado por frotamiento, por contaminantes u óxidos, u otras variables. Shaw y Henniker ampliaron aún más la serie al incluir polímeros naturales y sintéticos, y mostraron la alteración en la secuencia según la superficie y las condiciones ambientales. Las listas varían un poco en cuanto al orden exacto de algunos materiales, ya que la carga relativa varía para los materiales cercanos. Según las pruebas reales, hay poca o ninguna diferencia medible en la afinidad de carga entre los metales, probablemente porque el rápido movimiento de los electrones de conducción cancela tales diferencias.

El grupo del profesor Zhong Lin Wang estandarizó cuantitativamente otra serie triboeléctrica basada en la medición de la densidad de carga triboeléctrica de los materiales. La densidad de carga triboeléctrica de los materiales probados se midió con respecto al mercurio líquido en una caja de guantes en condiciones bien definidas, con temperatura, presión y humedad fijas para lograr valores confiables. El método propuesto estandariza la configuración experimental para cuantificar uniformemente la triboelectrificación superficial de materiales generales.

La serie triboeléctrica cuantificada

Causa

Aunque la parte 'tribo-' proviene del griego para "frotar", τρίβω (τριβή: fricción), los dos materiales solo necesitan entrar en contacto para que se intercambien electrones. Después de entrar en contacto, las cargas móviles se mueven de un material a otro para igualar su potencial electroquímico. Esto es lo que crea la diferencia de carga neta entre los objetos. Cuando ambos materiales en contacto son dieléctricos, la carga en movimiento no es transportada por un electrón, sino por un ion, como el H+. En efecto, este proceso es similar a una reacción ácido-base, cuando el objeto base se carga positivamente y el objeto ácido se carga negativamente. Además, algunos materiales pueden intercambiar iones de diferente movilidad o intercambiar fragmentos cargados de moléculas más grandes.

El efecto triboeléctrico está relacionado con la fricción solo porque ambos implican adhesión. Sin embargo, el efecto se mejora mucho al frotar los materiales, ya que se tocan y se separan muchas veces.

Para superficies con diferentes geometrías, el roce también puede provocar el calentamiento de las protuberancias, lo que provoca la separación de cargas piroeléctricas que pueden sumarse a la electrificación de contacto existente o que pueden oponerse a la polaridad existente. Los nanoefectos de superficie no se comprenden bien, y el microscopio de fuerza atómica ha permitido un rápido progreso en este campo de la física.

Chispas

Debido a que la superficie del material ahora está cargada eléctricamente, ya sea negativa o positivamente, cualquier contacto con un objeto conductor sin carga o con un objeto que tenga una carga sustancialmente diferente puede causar una descarga eléctrica de la electricidad estática acumulada: una chispa. Una persona simplemente caminando sobre una alfombra, quitándose una camisa de nailon o frotándose contra el asiento de un automóvil también puede crear una diferencia de potencial de muchos miles de voltios, que es suficiente para provocar una chispa de un milímetro de largo o más.

La descarga electrostática puede no ser evidente en condiciones húmedas porque la condensación superficial normalmente evita la carga triboeléctrica.

Las descargas electrostáticas (aparte de los rayos que provienen de la carga triboeléctrica del hielo y las gotas de agua dentro de las nubes) causan un daño mínimo porque la energía (1/2V²C) de la chispa es muy pequeña; sin embargo, tales chispas pueden encender vapores inflamables (ver riesgos y contramedidas). Este no es el caso cuando la capacitancia de uno de los objetos es muy grande.

Mecanismo de triboelectrificación

El potencial de interacción interatómica se puede aplicar para comprender las interacciones entre los átomos. Cuando dos átomos están en posiciones de equilibrio, con una distancia interatómica de equilibrio, las nubes de electrones o funciones de onda se superponen parcialmente. Por un lado, si los dos átomos se acercan entre sí presionados por una fuerza externa, la distancia interatómica se vuelve más corta que la distancia de equilibrio, por lo que los dos átomos se repelen debido al aumento de la superposición de la nube de electrones. Es en esta región donde ocurre la transferencia de electrones. Por otro lado, si los dos átomos están separados entre sí de tal manera que tienen una distancia interatómica mayor que la distancia de equilibrio, se atraerán entre sí debido a la interacción de Van der Waals de largo alcance.

Potencia de interacción interatómica entre dos átomos para entender la transferencia de electrones acortando la longitud de unión por fuerza externa.

Se propuso un mecanismo de transferencia de carga a escala atómica (modelo genérico de potencial de nube de electrones) para la triboelectrificación. Primero, antes del contacto a escala atómica de dos materiales, no hay superposición entre sus nubes de electrones y existe una fuerza de atracción. Los electrones están tan estrechamente ligados en órbitas específicas que no pueden escapar libremente. Luego, cuando los dos átomos en dos materiales se acercan al contacto, se forma un enlace iónico o covalente entre ellos por la superposición de la nube de electrones. Una fuerza externa puede disminuir aún más la distancia interatómica (longitud del enlace), y la fuerte superposición de la nube de electrones induce la caída de la barrera de energía entre los dos, lo que resulta en la transferencia de electrones, que es el proceso de triboelectrificación. Una vez que los dos átomos se separan, los electrones transferidos permanecerían porque se necesita energía para que los electrones se transfieran de regreso, formando las cargas electrostáticas en las superficies de los materiales.

Genérico modelo electron-cloud-potential-well propuesto por Wang para explicar la triboelectrificación y transferencia de carga y liberación entre dos materiales que pueden no tener estructura de banda de energía bien especificada. Este modelo se aplica a casos materiales generales.

En aviones y naves espaciales

Los aviones desarrollan una carga estática a través de colisiones con gotas y partículas de hielo. La estática se puede descargar con descargadores de estática o mechas estáticas.

La NASA sigue una "regla de triboelectrificación" por lo que cancelarán un lanzamiento si se predice que el vehículo de lanzamiento pasará a través de ciertos tipos de nubes. Volar a través de nubes de alto nivel puede generar "P-static" (P para precipitación), que puede crear estática alrededor del vehículo de lanzamiento que interferirá con las señales de radio enviadas por o hacia el vehículo. Esto puede inhibir la telemetría a tierra o al vehículo, particularmente señales críticas para el sistema de terminación de vuelo. Cuando se establece una espera debido a la regla de triboelectrificación, permanece hasta que el ala espacial y el personal de observación, como los de los aviones de reconocimiento, indican que el cielo está despejado.

Riesgos y contramedidas

Encendido

El efecto tiene una importancia industrial considerable en términos de seguridad y daño potencial a los productos fabricados. La descarga estática es un peligro particular en los elevadores de granos debido al peligro de una explosión de polvo. La chispa producida es totalmente capaz de encender vapores inflamables, por ejemplo, gasolina, vapores de éter y gas metano. Para las entregas de combustible a granel y el abastecimiento de combustible para aeronaves, se realiza una conexión a tierra entre el vehículo y el tanque receptor antes de abrir los tanques. Al repostar vehículos en una estación minorista, tocar el metal del automóvil antes de abrir el tanque de gasolina o tocar la boquilla puede disminuir el riesgo de ignición estática de los vapores de combustible.

En el lugar de trabajo

Se deben proporcionar medios para descargar la estática de los carros que pueden transportar líquidos volátiles, gases inflamables u oxígeno en los hospitales. Incluso cuando solo se produce una pequeña carga, puede provocar que las partículas de polvo sean atraídas a la superficie frotada. En el caso de la fabricación textil, esto puede provocar una marca de suciedad permanente donde la tela entra en contacto con acumulaciones de polvo retenidas por una carga estática. La atracción de polvo se puede reducir tratando las superficies aislantes con un agente de limpieza antiestático.

Daño a la electrónica

Algunos dispositivos electrónicos, en particular los circuitos integrados CMOS y los MOSFET (un tipo de transistor), pueden destruirse accidentalmente por una descarga estática de alto voltaje. Dichos componentes generalmente se almacenan en una espuma conductora para su protección. Ponerse a tierra tocando el banco de trabajo o usando un brazalete o tobillera especial es una práctica estándar cuando se manipulan circuitos integrados desconectados. Otra forma de disipar la carga es mediante el uso de materiales conductores como, por ejemplo, las alfombrillas de goma cargadas con negro de humo en los quirófanos.

Los dispositivos que contienen componentes sensibles deben estar protegidos durante el uso, la instalación y la desconexión normales, mediante protección diseñada en las conexiones externas cuando sea necesario. La protección puede ser mediante el uso de dispositivos más robustos o contramedidas de protección en las interfaces externas del dispositivo. Estos pueden ser optoaisladores, tipos de transistores menos sensibles y dispositivos de derivación estática como varistores de óxido de metal.

Fuente de ruido

Dentro de los conjuntos de cables médicos y los cables conductores, se genera ruido triboeléctrico aleatorio cuando los diversos conductores, el aislamiento y los rellenos se frotan entre sí cuando el cable se flexiona durante el movimiento. El ruido generado dentro de un cable a menudo se denomina ruido de manejo o ruido de cable, pero este tipo de señal no deseada se describe con mayor precisión como ruido triboeléctrico. Al medir señales de bajo nivel, el ruido en el cable o alambre puede ser problemático. Por ejemplo, el ruido en un ECG u otra señal médica puede dificultar o incluso imposibilitar un diagnóstico preciso. Mantener el ruido triboeléctrico a niveles aceptables requiere una cuidadosa selección, diseño y procesamiento del material a medida que se fabrica el material del cable.