Electricidad estática

El contacto con la diapositiva ha dejado el cabello de este niño cargado positivamente para que los cabellos individuales se repelan unos a otros. El cabello también se puede atraer a la superficie de diapositivas cargada negativamente.

La electricidad estática es un desequilibrio de cargas eléctricas dentro o sobre la superficie de un material o entre materiales. La carga permanece hasta que es capaz de alejarse por medio de una corriente eléctrica o descarga eléctrica. La electricidad estática se nombra en contraste con la electricidad actual, donde la carga eléctrica fluye a través de un conductor o espacio eléctrico y transmite energía.

Se puede crear una carga eléctrica estática siempre que dos superficies entren en contacto y se desgasten y se separen, y al menos una de las superficies tiene una alta resistencia a la corriente eléctrica (y, por lo tanto, es un aislante eléctrico). Los efectos de la electricidad estática son familiares para la mayoría de las personas porque pueden sentir, escuchar e incluso ver la chispa a medida que el exceso de carga se neutraliza cuando se acerca a un conductor eléctrico grande (por ejemplo, un camino a tierra) o una región con un exceso de carga de polaridad opuesta (positiva o negativa). El fenómeno familiar de un choque estático, más específicamente, una descarga electrostática, es causado por la neutralización de una carga.

Causas

Los materiales están hechos de átomos que normalmente son eléctricamente neutros porque contienen cantidades iguales de cargas positivas (protones en sus núcleos) y cargas negativas (electrones en 'capas' que rodean el núcleo). El fenómeno de la electricidad estática requiere una separación de cargas positivas y negativas. Cuando dos materiales están en contacto, los electrones pueden moverse de un material al otro, lo que deja un exceso de carga positiva en un material y una carga negativa igual en el otro. Cuando los materiales se separan, conservan este desequilibrio de carga.

Separación de carga inducida por contacto

Maníes de estilismo aferrados a la piel de un gato debido a la electricidad estática. Este efecto es también la causa de la fijación estática en la ropa.

Los electrones pueden intercambiarse entre materiales en contacto; los materiales con electrones débilmente enlazados tienden a perderlos, mientras que los materiales con capas externas escasamente llenas tienden a ganarlos. Esto se conoce como efecto triboeléctrico y da como resultado que un material se cargue positivamente y el otro se cargue negativamente. La polaridad y la fuerza de la carga en un material una vez que se separan depende de sus posiciones relativas en la serie triboeléctrica. El efecto triboeléctrico es la causa principal de la electricidad estática como se observa en la vida cotidiana y en las demostraciones científicas comunes de la escuela secundaria que implican frotar diferentes materiales (por ejemplo, pieles contra una barra de acrílico). La separación de carga inducida por contacto hace que el cabello se erice y causa "adherencia estática" (por ejemplo, un globo que se frota contra el cabello se carga negativamente; cuando está cerca de una pared, el globo cargado es atraído por partículas cargadas positivamente en la pared y puede 'aferrarse' a él, suspendido contra la gravedad).

Separación de carga inducida por presión

La tensión mecánica aplicada genera una separación de carga en ciertos tipos de cristales y moléculas de cerámica.

Separación de carga inducida por calor

El calentamiento genera una separación de carga en los átomos o moléculas de ciertos materiales. Todos los materiales piroeléctricos también son piezoeléctricos. Las propiedades atómicas o moleculares de la respuesta de calor y presión están estrechamente relacionadas.

Separación de carga inducida por carga

Un objeto cargado que se acerca a un objeto conductor eléctricamente neutro provoca una separación de carga dentro del objeto neutro. Esto se llama inducción electrostática. Las cargas de la misma polaridad se repelen y se mueven hacia el lado del objeto lejos de la carga externa, y las cargas de polaridad opuesta se atraen y se mueven hacia el lado que mira hacia la carga. Como la fuerza debida a la interacción de las cargas eléctricas disminuye rápidamente al aumentar la distancia, el efecto de las cargas más cercanas (polaridad opuesta) es mayor y los dos objetos sienten una fuerza de atracción. La conexión a tierra cuidadosa de parte de un objeto con una separación de carga inducida por carga puede agregar o eliminar electrones de forma permanente, dejando el objeto con una carga permanente global.

Un efecto similar se produce en los materiales aislantes eléctricos. En un aislante, las cargas internas (electrones) están unidas a los átomos y no pueden moverse libremente como en un conductor. Sin embargo, pueden moverse un poco dentro de los átomos. En presencia de una carga cercana, los electrones negativos y el núcleo positivo se mueven ligeramente hacia lados opuestos del átomo, provocando una separación similar de carga y una ligera atracción hacia la carga externa. Este proceso es parte integral del funcionamiento del generador Van de Graaff, un dispositivo comúnmente utilizado para demostrar los efectos de la electricidad estática.

Extracción y prevención

Una tarjeta de red dentro de una bolsa antiestática.

Una correa antiestática de muñeca con clip de cocodrilo.

Eliminar o prevenir la acumulación de carga estática puede ser tan simple como abrir una ventana o usar un humidificador para aumentar el contenido de humedad del aire, haciendo que la atmósfera sea más conductiva. Los ionizadores de aire pueden realizar la misma tarea.

Los artículos que son particularmente sensibles a la descarga estática pueden tratarse con la aplicación de un agente antiestático, que agrega una capa superficial conductora que asegura que cualquier exceso de carga se distribuya uniformemente. Los suavizantes de telas y las toallitas para secadoras que se usan en lavadoras y secadoras de ropa son un ejemplo de un agente antiestático que se usa para prevenir y eliminar la adherencia estática.

Muchos dispositivos semiconductores utilizados en electrónica son especialmente sensibles a las descargas estáticas. Las bolsas antiestáticas conductoras se utilizan comúnmente para proteger dichos componentes. Las personas que trabajan en circuitos que contienen estos dispositivos a menudo se conectan a tierra con una correa antiestática conductora.

En entornos industriales, como plantas de pintura o harina, así como en hospitales, a veces se utilizan botas de seguridad antiestáticas para evitar la acumulación de carga estática debido al contacto con el suelo. Estos zapatos tienen suelas con buena conductividad. Los zapatos antiestáticos no deben confundirse con los zapatos aislantes, que brindan exactamente el beneficio opuesto: cierta protección contra descargas eléctricas graves del voltaje de la red.

Descarga estática

La chispa asociada con la electricidad estática es causada por una descarga electrostática, o simplemente descarga estática, ya que el exceso de carga es neutralizado por un flujo de cargas desde o hacia los alrededores.

La sensación de una descarga eléctrica es causada por la estimulación de los nervios a medida que la corriente neutralizante fluye a través del cuerpo humano. La energía almacenada como electricidad estática en un objeto varía según el tamaño del objeto y su capacitancia, el voltaje al que se carga y la constante dieléctrica del medio circundante. Para modelar el efecto de la descarga estática en dispositivos electrónicos sensibles, se representa a un ser humano como un capacitor de 100 picofaradios, cargado con un voltaje de 4000 a 35 000 voltios. Al tocar un objeto esta energía se descarga en menos de un microsegundo. Si bien la energía total es pequeña, del orden de milijulios, aún puede dañar dispositivos electrónicos sensibles. Los objetos más grandes almacenarán más energía, lo que puede ser directamente peligroso para el contacto humano o que puede generar una chispa que puede encender gas o polvo inflamable.

Relámpago

Grado estático natural

Pelos pequeños de pie después de una tormenta, como resultado de la izquierda sobre la electricidad estática débil

El relámpago es un ejemplo natural dramático de descarga estática. Si bien los detalles no están claros y siguen siendo objeto de debate, se cree que la separación de carga inicial está asociada con el contacto entre partículas de hielo dentro de las nubes de tormenta. En general, las acumulaciones significativas de carga solo pueden persistir en regiones de baja conductividad eléctrica (muy pocas cargas libres para moverse en el entorno), por lo tanto, el flujo de cargas neutralizantes a menudo resulta de átomos y moléculas neutrales en el aire que se separan para formar partículas positivas separadas. y cargas negativas, que viajan en direcciones opuestas como una corriente eléctrica, neutralizando la acumulación original de carga. La carga estática en el aire normalmente se descompone de esta manera en alrededor de 10 000 voltios por centímetro (10 kV/cm), dependiendo de la humedad. La descarga sobrecalienta el aire circundante que causa el destello brillante y produce una onda de choque que causa el sonido retumbante. El rayo es simplemente una versión ampliada de las chispas que se ven en los casos más domésticos de descarga estática. El destello ocurre porque el aire en el canal de descarga se calienta a una temperatura tan alta que emite luz por incandescencia. El trueno es el resultado de la onda de choque creada cuando el aire sobrecalentado se expande explosivamente.

Componentes electrónicos

Muchos dispositivos semiconductores utilizados en la electrónica son muy sensibles a la presencia de electricidad estática y pueden dañarse con una descarga estática. El uso de una correa antiestática es obligatorio para los investigadores que manipulan nanodispositivos. Se pueden tomar precauciones adicionales quitándose los zapatos con suelas gruesas de goma y quedándose permanentemente con una base metálica.

Acumulación de estática en materiales inflamables e inflamables que fluyen

La electricidad estática es un peligro importante al repostar un avión.

La descarga de electricidad estática puede crear peligros graves en aquellas industrias que manejan sustancias inflamables, donde una pequeña chispa eléctrica puede encender mezclas explosivas.

El movimiento fluido de sustancias en polvo fino o fluidos de baja conductividad en tuberías o mediante agitación mecánica puede generar electricidad estática. El flujo de gránulos de material como arena por un conducto de plástico puede transferir carga, que se puede medir fácilmente usando un multímetro conectado a una lámina metálica que recubre el conducto a intervalos, y puede ser aproximadamente proporcional al flujo de partículas. Las nubes de polvo de sustancias finamente pulverizadas pueden volverse combustibles o explosivas. Cuando hay una descarga estática en una nube de polvo o vapor, se han producido explosiones. Entre los principales incidentes industriales que han ocurrido debido a descargas estáticas se encuentran la explosión de un silo de granos en el suroeste de Francia, una planta de pintura en Tailandia, una fábrica de molduras de fibra de vidrio en Canadá, la explosión de un tanque de almacenamiento en Glenpool, Oklahoma en 2003, y una operación de llenado de tanques portátiles y una granja de tanques en Des Moines, Iowa y Valley Center, Kansas en 2007.

La capacidad de un fluido para retener una carga electrostática depende de su conductividad eléctrica. Cuando los fluidos de baja conductividad fluyen a través de tuberías o se agitan mecánicamente, se produce una separación de carga inducida por contacto denominada electrificación de flujo. Los fluidos que tienen baja conductividad eléctrica (menos de 50 picosiemens por metro), se denominan acumuladores. Los fluidos que tienen una conductividad superior a 50 pS/m se denominan no acumuladores. En los no acumuladores, las cargas se recombinan tan rápido como se separan y, por lo tanto, la acumulación de carga electrostática no es significativa. En la industria petroquímica, 50 pS/m es el valor mínimo recomendado de conductividad eléctrica para una eliminación adecuada de la carga de un fluido.

Los querosenos pueden tener una conductividad que oscila entre menos de 1 picosiemens por metro y 20 pS/m. A modo de comparación, el agua desionizada tiene una conductividad de aproximadamente 10 000 000 pS/m o 10 µS/m.

El aceite de transformador es parte del sistema de aislamiento eléctrico de grandes transformadores de potencia y otros aparatos eléctricos. El rellenado de aparatos grandes requiere precauciones contra la carga electrostática del fluido, que puede dañar el sensible aislamiento del transformador.

Un concepto importante para los fluidos aislantes es el tiempo de relajación estática. Esto es similar a la constante de tiempo τ (tau) de un circuito RC. Para materiales aislantes, es la relación de la constante dieléctrica estática dividida por la conductividad eléctrica del material. Para los fluidos de hidrocarburos, esto a veces se aproxima dividiendo el número 18 por la conductividad eléctrica del fluido. Así, un fluido que tiene una conductividad eléctrica de 1 pS/m tiene un tiempo de relajación estimado de unos 18 segundos. El exceso de carga en un fluido se disipa casi por completo después de cuatro o cinco veces el tiempo de relajación, o 90 segundos para el fluido del ejemplo anterior.

La generación de carga aumenta con velocidades de fluido más altas y diámetros de tubería más grandes, lo que se vuelve bastante significativo en tuberías de 200 mm (8 pulgadas) o más. La generación de carga estática en estos sistemas se controla mejor limitando la velocidad del fluido. La norma británica BS PD CLC/TR 50404:2003 (anteriormente BS-5958-Parte 2) Código de práctica para el control de la electricidad estática indeseable prescribe límites de velocidad de flujo de tuberías. Debido a que el contenido de agua tiene un gran impacto en la constante dieléctrica de los fluidos, la velocidad recomendada para los fluidos de hidrocarburos que contienen agua debe limitarse a 1 metro por segundo.

La unión y la puesta a tierra son las formas habituales de evitar la acumulación de carga. Para fluidos con conductividad eléctrica por debajo de 10 pS/m, la unión y la conexión a tierra no son adecuadas para la disipación de carga y es posible que se requieran aditivos antiestáticos.

Operaciones de abastecimiento

El movimiento fluido de líquidos inflamables como la gasolina dentro de una tubería puede generar electricidad estática. Los líquidos no polares como la gasolina, el tolueno, el xileno, el diésel, el queroseno y los petróleos crudos livianos exhiben una capacidad significativa para la acumulación de carga y la retención de carga durante el flujo de alta velocidad. Las descargas electrostáticas pueden encender el vapor de combustible. Cuando la energía de descarga electrostática es lo suficientemente alta, puede encender una mezcla de aire y vapor de combustible. Los diferentes combustibles tienen diferentes límites de inflamabilidad y requieren diferentes niveles de energía de descarga electrostática para encenderse.

La descarga electrostática durante el repostaje de gasolina es un peligro presente en las gasolineras. También se han iniciado incendios en aeropuertos mientras se repostaban aviones con queroseno. Las nuevas tecnologías de conexión a tierra, el uso de materiales conductores y la adición de aditivos antiestáticos ayudan a prevenir o disipar de manera segura la acumulación de electricidad estática.

El movimiento fluido de los gases en las tuberías por sí solo genera poca o ninguna electricidad estática. Se prevé que un mecanismo de generación de carga sólo se produzca cuando la corriente de gas transporte partículas sólidas o gotitas de líquido.

En la exploración espacial

Debido a la humedad extremadamente baja en entornos extraterrestres, se pueden acumular cargas estáticas muy grandes, lo que genera un peligro importante para los complejos componentes electrónicos que se utilizan en los vehículos de exploración espacial. Se cree que la electricidad estática es un peligro particular para los astronautas en misiones planificadas a la Luna y Marte. Caminar sobre el terreno extremadamente seco podría hacer que acumularan una cantidad significativa de carga; extender la mano para abrir la esclusa de aire en su regreso podría causar una gran descarga estática, lo que podría dañar los componentes electrónicos sensibles.

Agrietamiento por ozono

Ozono de grietas en caucho natural

Una descarga estática en presencia de aire u oxígeno puede generar ozono. El ozono puede degradar las piezas de goma. Muchos elastómeros son sensibles al agrietamiento por ozono. La exposición al ozono crea grietas de penetración profunda en componentes críticos como juntas y juntas tóricas. Las líneas de combustible también son susceptibles al problema a menos que se tomen medidas preventivas. Las medidas preventivas incluyen la adición de antiozonizantes a la mezcla de caucho o el uso de un elastómero resistente al ozono. Los incendios provocados por tuberías de combustible agrietadas han sido un problema en los vehículos, especialmente en los compartimentos del motor, donde los equipos eléctricos pueden producir ozono.

Energías involucradas

La energía liberada en una descarga de electricidad estática puede variar en un amplio rango. La energía en julios se puede calcular a partir de la capacitancia (C) del objeto y el potencial estático V en voltios (V) mediante la fórmula E = ½CV². Un experimentador estima que la capacitancia del cuerpo humano es tan alta como 400 picofaradios y una carga de 50 000 voltios, descargada, p. al tocar un automóvil cargado, creando una chispa con una energía de 500 milijulios. Otra estimación es de 100 a 300 pF y 20 000 voltios, lo que produce una energía máxima de 60 mJ. IEC 479-2:1987 establece que una descarga con una energía superior a 5000 mJ es un riesgo grave directo para la salud humana. IEC 60065 establece que los productos de consumo no pueden descargar más de 350 mJ en una persona.

El potencial máximo está limitado a alrededor de 35 a 40 kV, debido a que la descarga de corona disipa la carga a potenciales más altos. Los humanos no suelen detectar potenciales por debajo de 3000 voltios. El potencial máximo comúnmente alcanzado en el cuerpo humano oscila entre 1 y 10 kV, aunque en condiciones óptimas se puede alcanzar hasta 20-25 kV. La humedad relativa baja aumenta la acumulación de carga; caminar 20 pies (6 m) sobre un piso de vinilo con un 15 % de humedad relativa provoca una acumulación de voltaje de hasta 12 kV, mientras que con un 80 % de humedad el voltaje es de solo 1,5 kV.

Una cantidad tan pequeña como 0,2 milijulios puede presentar un peligro de ignición; una energía de chispa tan baja a menudo está por debajo del umbral de la percepción visual y auditiva humana.

Las energías típicas de ignición son:

• 0.017 mJ para hidrógeno,
• 0.2–2 mJ para vapores de hidrocarburos,
• 1–50 mJ para polvo inflamable fino,
• 40–1000 mJ para polvo inflamable grueso.

La energía necesaria para dañar la mayoría de los dispositivos electrónicos está entre 2 y 1000 nanojulios.

Se necesita una energía relativamente pequeña, a menudo de 0,2 a 2 milijulios, para encender una mezcla inflamable de combustible y aire. Para los gases y solventes de hidrocarburos industriales comunes, la energía de ignición mínima requerida para la ignición de la mezcla vapor-aire es la más baja para la concentración de vapor aproximadamente en el medio entre el límite explosivo inferior y el límite explosivo superior, y aumenta rápidamente a medida que la concentración se desvía de este óptimo a cada lado. Los aerosoles de líquidos inflamables pueden encenderse muy por debajo de su punto de inflamación. Generalmente, los aerosoles líquidos con partículas de menos de 10 micrómetros se comportan como vapores, las partículas de más de 40 micrómetros se comportan más como polvos inflamables. Las concentraciones inflamables mínimas típicas de aerosoles se sitúan entre 15 y 50 g/m³. De manera similar, la presencia de espuma en la superficie de un líquido inflamable aumenta significativamente la inflamabilidad. El aerosol de polvo inflamable también puede encenderse y provocar una explosión de polvo; el límite explosivo inferior suele estar entre 50 y 1000 g/m³; los polvos más finos tienden a ser más explosivos y requieren menos energía de chispa para estallar. La presencia simultánea de vapores inflamables y polvo inflamable puede disminuir significativamente la energía de ignición; un mero 1% en volumen de propano en el aire puede reducir 100 veces la energía de ignición requerida del polvo. Un contenido de oxígeno superior al normal en la atmósfera también reduce significativamente la energía de ignición.

Hay cinco tipos de descargas eléctricas:

• Spark, responsable de la mayoría de incendios industriales y explosiones en las que está implicada la electricidad estática. Las chispas ocurren entre objetos en diferentes potenciales eléctricos. La buena base de todas las partes del equipo y las precauciones contra las acumulaciones de carga en el equipo y el personal se utilizan como medidas de prevención.
• Cepillo de descarga se produce a partir de una superficie cargada no conductiva o líquidos no conductivos altamente cargados. La energía se limita a aproximadamente 4 milijoules. Para ser peligroso, el voltaje implicado debe estar por encima de unos 20 kilovoltios, la polaridad superficial debe ser negativa, un ambiente inflamable debe estar presente en el punto de descarga, y la energía de descarga debe ser suficiente para el encendido. Además, debido a que las superficies tienen una densidad de carga máxima, un área de al menos 100 cm² tiene que estar involucrado. Esto no se considera un peligro para las nubes de polvo.
• Cepillo de propagación es alta en energía y peligrosa. Ocurre cuando una superficie aislante de hasta 8 mm de espesor (por ejemplo, un revestimiento de teflón o vidrio de una tubería de metal molido o un reactor) se somete a una gran acumulación de carga entre las superficies opuestas, actuando como un condensador de gran superficie.
• Cone discharge, también llamado descarga de cepillo, ocurre sobre superficies de polvos cargados con resistencia por encima de 10¹⁰Ohms, o también profundo a través de la masa de polvo. Las descargas de cono no se observan generalmente en volúmenes de polvo debajo de 1 m³. La energía implicada depende del tamaño del grano del polvo y la magnitud de carga, y puede alcanzar hasta 20 mJ. Los volúmenes de polvo más grandes producen energías superiores.
• Corona de descarga, considerado no peligroso.