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Efecto triboeléctrico

Bolitas de poliestireno expandido adheridas al pelaje de un gato debido a la electricidad estática. El efecto triboeléctrico (también conocido como triboelectricidad , carga tri...

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Bolitas de poliestireno expandido adheridas al pelaje de un gato debido a la electricidad estática.

El efecto triboeléctrico (también conocido como triboelectricidad , carga triboeléctrica , triboelectrificación o tribocarga ) describe la transferencia de carga eléctrica entre dos objetos cuando entran en contacto o se deslizan uno contra el otro. Puede ocurrir con diferentes materiales, como la suela de un zapato sobre una alfombra, o entre dos piezas del mismo material. Es omnipresente y se produce con diferentes cantidades de transferencia de carga ( tribocarga ) en todos los materiales sólidos. Existe evidencia de que la tribocarga puede ocurrir entre combinaciones de sólidos, líquidos y gases, por ejemplo, un líquido fluyendo en un tubo sólido o una aeronave volando por el aire.

A menudo, la electricidad estática es consecuencia del efecto triboeléctrico cuando la carga permanece en uno o ambos objetos y no se conduce. El término triboelectricidad se ha utilizado para referirse al campo de estudio o al fenómeno general del efecto triboeléctrico, [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] o a la electricidad estática que resulta de él. [ 5 ] [ 6 ] Cuando no hay deslizamiento, la tribocarga a veces se denomina electrificación por contacto , y cualquier electricidad estática generada a veces se denomina electricidad por contacto . Los términos se utilizan a menudo indistintamente y pueden confundirse.

La carga triboeléctrica desempeña un papel fundamental en industrias como el envasado de polvos farmacéuticos, [ 3 ] [ 7 ] y en muchos procesos como las tormentas de polvo [ 8 ] y la formación planetaria . [ 9 ] También puede aumentar la fricción y la adhesión . Si bien muchos aspectos del efecto triboeléctrico se comprenden y documentan ampliamente, aún existen importantes discrepancias en la literatura actual sobre los detalles subyacentes.

Historia

El desarrollo histórico de la triboelectricidad está entrelazado con el trabajo sobre la electricidad estática y los electrones mismos. Los experimentos que involucran triboelectricidad y electricidad estática ocurrieron mucho antes del descubrimiento del electrón. El nombre ēlektron (ἤλεκτρον) es griego para ámbar , [ 10 ] [ 11 ] lo cual está relacionado con el registro de carga electrostática por Tales de Mileto alrededor del 585 a. C., [ 12 ] y posiblemente otros incluso antes. [ 12 ] [ 13 ] El prefijo tribo- (griego para 'frotar') se refiere al deslizamiento, la fricción y procesos relacionados, como en tribología . [ 14 ]

Desde la época axial (siglos VIII al III a. C.), la atracción de materiales debida a la electricidad estática producida al frotar ámbar y la atracción de materiales magnéticos se consideraban similares o idénticas. [ 11 ] Existen indicios de que era conocida tanto en Europa como fuera de ella, por ejemplo, en China y otros lugares. [ 11 ] Las mujeres sirias utilizaban husos de ámbar en el tejido y explotaban las propiedades triboeléctricas, como señaló Plinio el Viejo . [ 11 ] [ 15 ]

El efecto se menciona en registros de la época medieval. El arzobispo Eustacio de Tesalónica , erudito y escritor griego del siglo XII, relata que Wolverine, rey de los godos , podía extraer chispas de su cuerpo. También afirma que un filósofo era capaz de extraer chispas de su ropa mientras se vestía, de forma similar al informe de Robert Symmer sobre sus experimentos con medias de seda, que se puede encontrar en las Philosophical Transactions de 1759. [ 16 ]

Generador construido por Francis Hauksbee [ 17 ]

Generalmente se considera [ 13 ] que el primer análisis científico importante fue realizado por William Gilbert en su publicación De Magnete en 1600. [ 16 ] [ 18 ] Descubrió que muchos más materiales que el ámbar, como el azufre, la cera y el vidrio, podían producir electricidad estática al frotarlos, y que la humedad impedía la electrificación. Otros, como Sir Thomas Browne, hicieron contribuciones importantes un poco más tarde, tanto en términos de materiales como por el primer uso de la palabra electricidad en Pseudodoxia Epidemica . [ 19 ] Observó que los metales no mostraban carga triboeléctrica, tal vez porque la carga se conducía. Un paso importante fue alrededor de 1663 cuando Otto von Guericke inventó [ 20 ] una máquina que podía automatizar la generación de carga triboeléctrica, lo que facilitó mucho la producción de más tribocarga; otros generadores electrostáticos siguieron. [ 16 ] Por ejemplo, en la Figura se muestra un generador electrostático construido por Francis Hauksbee el Joven . Otro desarrollo clave se produjo en la década de 1730, cuando C.F. du Fay señaló la existencia de dos tipos de carga, a los que denominó vítrea y resinosa . [ 21 ] [ 22 ] Estos nombres correspondían a las varillas de vidrio (vítreas) y al carbón bituminoso, el ámbar o la cera de lacre (resinosas) utilizados en los experimentos de du Fay. [ 23 ] : I:44 Estos nombres se emplearon a lo largo del siglo XIX. El uso de los términos positivo y negativo para los tipos de electricidad surgió del trabajo independiente de Benjamin Franklin alrededor de 1747, donde atribuyó la electricidad a un exceso o una deficiencia de un fluido eléctrico. [ 23 ] : 43–48

Casi al mismo tiempo, Johan Carl Wilcke publicó en su tesis doctoral de 1757 una serie triboeléctrica . [ 24 ] [ 25 ] En este trabajo, los materiales se enumeraron en orden de polaridad de separación de carga cuando se tocan o se deslizan uno contra otro. Un material situado en la parte inferior de la serie, al entrar en contacto con un material cercano a la parte superior de la serie, adquirirá una carga más negativa.

El primer análisis sistemático de la triboelectricidad se considera el trabajo de Jean Claude Eugène Péclet en 1834. [ 26 ] Estudió la carga triboeléctrica para una variedad de condiciones tales como el material, la presión y el roce de superficies. Pasó algún tiempo antes de que hubiera trabajos cuantitativos adicionales por Owen en 1909 [ 27 ] y Jones en 1915. [ 28 ] El conjunto más extenso de análisis experimentales tempranos fue de 1914 a 1930 por el grupo del profesor Shaw, quien sentó gran parte de la base del conocimiento experimental. En una serie de artículos él: fue uno de los primeros en mencionar algunas de las fallas de la serie triboeléctrica, mostrando también que el calor tenía un efecto importante en la tribocarga; [ 29 ] analizó en detalle dónde se ubicarían diferentes materiales en una serie triboeléctrica, al mismo tiempo señalando anomalías; [ 1 ] analizaron por separado vidrio y elementos sólidos [ 30 ] y elementos sólidos y textiles, [ 31 ] midiendo cuidadosamente tanto la carga tribológica como la fricción; analizaron la carga debida a partículas sopladas por el aire; [ 32 ] demostraron que la tensión superficial y la relajación desempeñaban un papel crítico para una gama de materiales, [ 33 ] [ 34 ] y examinaron la carga tribológica de muchos elementos diferentes con sílice. [ 35 ]

Gran parte de este trabajo es anterior a la comprensión de las variaciones de los niveles de energía en estado sólido con la posición, y también a la curvatura de bandas . [ 36 ] Fue a principios de la década de 1950, en el trabajo de autores como Vick [ 37 ] , que estos se tuvieron en cuenta junto con conceptos como el efecto túnel cuántico y comportamientos como los efectos de barrera Schottky , además de incluir modelos como las asperezas para contactos basados ​​en el trabajo de Frank Philip Bowden y David Tabor . [ 38 ]

Características básicas

La carga triboeléctrica se produce cuando dos materiales se ponen en contacto y luego se separan, o se deslizan uno contra el otro. Un ejemplo es frotar un bolígrafo de plástico sobre la manga de una camisa de algodón, lana, poliéster o las telas mixtas utilizadas en la ropa moderna. [ 39 ] Un bolígrafo electrificado atraerá y recogerá trozos de papel de menos de un centímetro cuadrado, y repelerá un bolígrafo electrificado de forma similar. Esta repulsión se puede detectar colgando ambos bolígrafos de hilos y colocándolos cerca uno del otro. Estos experimentos llevaron a la teoría de dos tipos de carga eléctrica, una de ellas negativa, cuya suma, respetando los signos, da la carga total. La atracción electrostática del bolígrafo de plástico cargado hacia trozos de papel neutros sin carga (por ejemplo) se debe a dipolos inducidos [ 36 ] : Capítulo 27 del artículo.

El efecto triboeléctrico puede ser impredecible porque muchos detalles a menudo no se controlan. [ 40 ] Fenómenos que no tienen una explicación simple se conocen desde hace muchos años. Por ejemplo, ya en 1910, Jaimeson observó que para un trozo de celulosa, el signo de la carga dependía de si estaba doblado cóncavo o convexo durante el frotamiento. [ 41 ] El mismo comportamiento con la curvatura fue reportado en 1917 por Shaw, [ 1 ] quien notó que el efecto de la curvatura con diferentes materiales los hacía más positivos o negativos. En 1920, Richards señaló que para partículas en colisión la velocidad y la masa desempeñaban un papel, no solo el tipo de material. [ 42 ] En 1926, Shaw señaló que con dos piezas de material idéntico, el signo de la transferencia de carga de "goma" a "frotada" podía cambiar con el tiempo. [ 43 ]

Hay otros resultados experimentales más recientes que tampoco tienen una explicación simple. Por ejemplo, el trabajo de Burgo y Erdemir , [ 44 ] que mostró que el signo de la transferencia de carga se invierte entre cuando una punta empuja hacia un sustrato y cuando lo tira; el trabajo detallado de Lee et al. [ 45 ] y Forward, Lacks y Sankaran [ 46 ] y otros que miden la transferencia de carga durante colisiones entre partículas de zirconia de diferente tamaño pero la misma composición, con un tamaño cargando positivamente y el otro negativamente; las observaciones usando deslizamiento [ 46 ] o microscopio de fuerza de sonda Kelvin [ 47 ] de variaciones de carga no homogéneas entre materiales nominalmente idénticos.

Ilustración de la carga triboeléctrica por contacto entre asperezas.

Los detalles de cómo y por qué ocurre la tribocarga no son ciencia establecida a partir de 2023. Un componente es la diferencia en la función de trabajo (también llamada afinidad electrónica ) entre los dos materiales. [ 48 ] Esto puede conducir a la transferencia de carga como, por ejemplo, analizó Harper. [ 49 ] [ 50 ] Como se ha sabido desde al menos 1953, [ 37 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] el potencial de contacto es parte del proceso pero no explica muchos resultados, como los mencionados en los dos últimos párrafos. [ 41 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 47 ] Muchos estudios han señalado problemas con la diferencia de la función de trabajo ( potencial de Volta ) como una explicación completa. [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 4 ] También está la cuestión de por qué el deslizamiento suele ser importante. Las superficies tienen muchas asperezas a nanoescala donde se produce el contacto, [ 38 ] lo que se ha tenido en cuenta en muchos enfoques de la triboelectrificación. [ 49 ] Alessandro Volta y Hermann von Helmholtz sugirieron que el papel del deslizamiento era producir más contactos por segundo. [ 50 ] En términos modernos, la idea es que los electrones se mueven muchas veces más rápido que los átomos, por lo que los electrones siempre están en equilibrio cuando los átomos se mueven (la aproximación de Born-Oppenheimer ). Con esta aproximación, cada contacto de aspereza durante el deslizamiento es equivalente a uno estacionario; no hay acoplamiento directo entre la velocidad de deslizamiento y el movimiento de los electrones. [ 57 ] Una visión alternativa (más allá de la aproximación de Born-Oppenheimer) es que el deslizamiento actúa como una bomba mecánica cuántica que puede excitar a los electrones para que se muevan de un material a otro. [ 58 ] Otra sugerencia es que el calentamiento local durante el deslizamiento importa, [ 59 ] una idea sugerida por primera vez por Frenkel en 1941. [ 60 ] Otros trabajos han considerado que la flexión local a nanoescala produce voltajes que ayudan a impulsar la transferencia de carga a través del efecto flexoeléctrico .[ 61 ] [ 62 ] También hay sugerencias de que las cargas superficiales o atrapadas son importantes. [ 63 ] [ 64 ] Más recientemente, se han hecho intentos de incluir una descripción completa del estado sólido. [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 58 ]

Explicaciones y mecanismos

Desde los primeros trabajos que comenzaron a finales del siglo XIX [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ], se dispone de una gran cantidad de información sobre lo que, empíricamente, causa la triboelectricidad. Si bien existen numerosos datos experimentales sobre la triboelectricidad, aún no existe un consenso científico completo sobre su origen, [ 68 ] [ 69 ] o, quizás más probablemente, sobre sus orígenes. Algunos aspectos están establecidos y formarán parte del panorama completo:

  • Diferencias en la función de trabajo entre los dos materiales. [ 49 ]
  • Curvatura local, deformación y rugosidad. [ 41 ] [ 1 ] [ 70 ]
  • Las fuerzas utilizadas durante el deslizamiento, las velocidades cuando las partículas chocan y los tamaños. [ 3 ] [ 56 ]
  • La estructura electrónica de los materiales y la orientación cristalográfica de los dos materiales en contacto. [ 37 ]
  • Estados de superficie o interfaz, así como factores ambientales como la humedad. [ 37 ] [ 49 ]

Serie triboeléctrica

Una serie triboeléctrica simple

Un enfoque empírico de la triboelectricidad es la serie triboeléctrica . Esta es una lista de materiales ordenados según cómo desarrollan una carga en relación con otros materiales de la lista. Johan Carl Wilcke publicó la primera en un artículo de 1757. [ 24 ] [ 25 ] La serie fue ampliada por Shaw [ 1 ] y Henniker [ 71 ] al incluir polímeros naturales y sintéticos , e incorporar alteraciones en la secuencia dependiendo de las condiciones de la superficie y del entorno. Las listas varían ligeramente en cuanto al orden de algunos materiales. [ 1 ] [ 71 ]

Otro conjunto de series triboeléctricas, basado en la medición de la densidad de carga triboeléctrica de los materiales, fue propuesto por el grupo de Zhong Lin Wang . La densidad de carga triboeléctrica de los materiales analizados se midió con respecto al mercurio líquido en una caja de guantes bajo condiciones bien definidas, con temperatura, presión y humedad constantes. [ 72 ] [ 73 ]

Ejemplo de serie triboeléctrica cíclica que ilustra que un enfoque lineal no funciona en la práctica.

Se sabe que este enfoque es demasiado simple y poco fiable. [ 37 ] [ 49 ] [ 74 ] Hay muchos casos observados de interacciones triboeléctricas que son intransitivas con respecto a los materiales involucrados, un problema mencionado por Shaw en 1914. [ 29 ] Existen materiales A, B y C, donde A se carga positivamente cuando se frota contra B, B se carga positivamente cuando se frota contra C y C se carga positivamente cuando se frota contra A. Esta relación cíclica no puede explicarse mediante una serie triboeléctrica lineal. [ 75 ] Además, hay muchos casos en los que la carga ocurre con el contacto entre dos piezas del mismo material. [ 76 ] [ 77 ] [ 47 ] Esto se ha modelado como una consecuencia de los campos eléctricos de la flexión local ( flexoelectricidad ). [ 61 ] [ 62 ] [ 78 ]

Diferencias en la función laboral

Cuando los dos metales representados aquí están en equilibrio termodinámico entre sí como se muestra ( niveles de Fermi iguales ), el potencial electrostático del vacío ϕ no es plano debido a una diferencia en la función de trabajo .

En todos los materiales existe un potencial electrostático positivo debido a los núcleos atómicos positivos, parcialmente equilibrado por un potencial electrostático negativo de lo que puede describirse como un mar de electrones. [ 36 ] El potencial promedio es positivo, lo que se denomina potencial interno medio (PIM). Los distintos materiales presentan distintos PIM, dependiendo del tipo de átomos y de su proximidad. En una superficie, los electrones también se dispersan ligeramente en el vacío, como analizaron en detalle Lang y Kohn . [ 36 ] [ 79 ] Esto genera un dipolo en la superficie. En conjunto, el dipolo y el PIM dan lugar a una barrera de potencial que impide a los electrones abandonar el material, denominada función de trabajo . [ 36 ]

Una racionalización de la serie triboeléctrica es que los diferentes miembros tienen diferentes funciones de trabajo, por lo que los electrones pueden pasar del material con una función de trabajo pequeña a uno con una grande. [ 37 ] La diferencia de potencial entre los dos materiales se llama potencial de Volta , también llamado potencial de contacto . Los experimentos han validado la importancia de esto para metales y otros materiales. [ 48 ] Sin embargo, debido a que los dipolos superficiales varían para diferentes superficies de cualquier sólido [ 36 ] [ 79 ] el potencial de contacto no es un parámetro universal. Por sí solo no puede explicar muchos de los resultados que se establecieron a principios del siglo XX. [ 42 ] [ 43 ] [ 41 ]

Para mayor claridad, cabe mencionar que el concepto original de potencial voltaico surgió de un modelo para explicar el funcionamiento de una batería eléctrica ( pila voltaica ). El concepto era una forma simplificada donde el contacto entre dos metales generaba una fuerza que transfería electrones, lo que se denomina tensión de contacto . Esto fue objeto de un amplio debate en el siglo XIX, llegando a la conclusión de que no era la fuerza impulsora del funcionamiento de la batería. [ 80 ] [ 81 ]

Contribuciones electromecánicas

Cuando un sólido se somete a tensión, se pueden generar campos eléctricos. Un proceso se debe a las tensiones lineales y se denomina piezoelectricidad ; el segundo depende de la rapidez con la que cambian las tensiones con la distancia (derivada) y se denomina flexoelectricidad . Ambos fenómenos son ciencia establecida y pueden medirse y calcularse mediante métodos de la teoría del funcional de la densidad . Dado que la flexoelectricidad depende de un gradiente, puede ser mucho mayor a nanoescala durante el deslizamiento o el contacto de las asperezas entre dos objetos. [ 38 ]

Se ha realizado un trabajo considerable sobre la conexión entre la piezoelectricidad y la triboelectricidad. [ 82 ] [ 83 ] Si bien puede ser importante, la piezoelectricidad solo se presenta en un pequeño número de materiales que no tienen simetría de inversión, [ 36 ] por lo que no es una explicación general. Recientemente se ha sugerido que la flexoelectricidad puede ser muy importante [ 61 ] en la triboelectricidad, ya que se presenta en todos los aislantes y semiconductores. [ 84 ] [ 85 ] Bastantes resultados experimentales, como el efecto de la curvatura, pueden explicarse mediante este enfoque, aunque aún no se han determinado todos los detalles. [ 62 ] También existe un trabajo inicial de Shaw y Hanstock, [ 33 ] y del grupo de Daniel Lacks que demuestra que la deformación importa. [ 86 ] [ 87 ] [ 70 ]

Modelo de compensación de carga del condensador

Esquema de condensador con dieléctrico

Una explicación que ha aparecido de diferentes formas es análoga a la carga en un condensador. Si existe una diferencia de potencial entre dos materiales debido a la diferencia en sus funciones de trabajo (potencial de contacto), esto puede considerarse equivalente a la diferencia de potencial a través de un condensador. La carga para compensar esto es la que cancela el campo eléctrico. Si hay un dieléctrico aislante entre los dos materiales, esto dará lugar a una densidad de polarización.PAG{\displaystyle \mathbf {P} }y una carga superficial ligada dePAG⋅norte{\displaystyle \mathbf {P} \cdot \mathbf {n} }, dóndenorte{\displaystyle \mathbf {n} }es la normal de la superficie. [ 88 ] [ 89 ] La carga total en el capacitor es entonces la combinación de la carga superficial ligada de la polarización y la del potencial.

La carga triboeléctrica de este modelo de compensación se ha considerado frecuentemente como un componente clave. [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ] [ 93 ] Si se incluye la polarización adicional debida a la deformación ( piezoelectricidad ) o a la flexión de las muestras ( flexoelectricidad ) [ 61 ] [ 62 ], esto puede explicar observaciones como el efecto de la curvatura [ 41 ] o la carga no homogénea. [ 78 ]

Transferencia de electrones y/o iones

Existe un debate sobre si en la triboelectricidad se transfieren electrones o iones. Por ejemplo, Harper [ 49 ] analiza ambas posibilidades, mientras que Vick [ 37 ] se inclinaba más por la transferencia de electrones. El debate persiste hasta el día de hoy; por ejemplo, George M. Whitesides defiende la transferencia de iones [ 94 ], mientras que Díaz y Fenzel-Alexander [ 95 ], así como Laurence D. Marks, apoyan ambas [ 61 ] [ 62 ] , y otros solo la de electrones [ 96 ] .

irreversibilidad termodinámica

En la segunda mitad del siglo XX, la escuela soviética liderada por el químico Boris Derjaguin sostuvo que la triboelectricidad y el fenómeno asociado de la triboluminiscencia son fundamentalmente irreversibles . [ 97 ] Un punto de vista similar al de Derjaguin ha sido defendido más recientemente por Seth Putterman y sus colaboradores en la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA). [ 98 ] [ 99 ]

En 2020, los físicos teóricos Robert Alicki y Alejandro Jenkins publicaron una teoría propuesta sobre la triboelectricidad como un proceso fundamentalmente irreversible . [ 58 ] Argumentaron que los electrones en los dos materiales que se deslizan uno contra el otro tienen velocidades diferentes, lo que da lugar a un estado de no equilibrio . Los efectos cuánticos provocan este desequilibrio, bombeando electrones de un material al otro. [ 58 ] Este es un análogo fermiónico del mecanismo de superradiancia rotacional descrito originalmente por Yakov Zeldovich para bosones . [ 58 ] Los electrones son bombeados en ambas direcciones, pero pequeñas diferencias en los paisajes de potencial electrónico para las dos superficies pueden causar una carga neta. [ 58 ] Alicki y Jenkins argumentan que dicho bombeo irreversible es necesario para comprender cómo el efecto triboeléctrico puede generar una fuerza electromotriz . [ 58 ] [ 100 ]

Humedad

Generalmente, el aumento de la humedad (agua en el aire) conduce a una disminución en la magnitud de la carga triboeléctrica. [ 101 ] El tamaño de este efecto varía mucho dependiendo de los materiales en contacto; la disminución en la carga varía desde hasta un factor de 10 o más hasta una dependencia de la humedad muy pequeña. [ 102 ] Algunos experimentos encuentran un aumento de la carga a humedad moderada en comparación con condiciones extremadamente secas antes de una disminución posterior a mayor humedad. [ 103 ] La explicación más extendida es que una mayor humedad conduce a una mayor adsorción de agua en la superficie de los materiales en contacto, lo que conduce a una mayor conductividad superficial . [ 104 ] [ 105 ] La mayor conductividad permite una mayor recombinación de carga cuando los contactos se separan, lo que resulta en una menor transferencia de carga. [ 104 ] [ 106 ] [ 107 ] Otra explicación propuesta para los efectos de la humedad considera el caso en que se observa que la transferencia de carga aumenta con la humedad en condiciones secas. El aumento de la humedad puede conducir a la formación de puentes de agua entre los materiales en contacto que promueven la transferencia de iones. [ 103 ]

Ejemplos

Fricción y adhesión por tribocarga

La fricción [ 108 ] es una fuerza de retardo debida a diferentes procesos de disipación de energía, como la deformación elástica y plástica, la excitación de fonones y electrones, y también la adhesión . [ 109 ] Por ejemplo, en un automóvil o cualquier otro vehículo, las ruedas se deforman elásticamente al rodar. Parte de la energía necesaria para esta deformación se recupera ( deformación elástica ), otra parte no se recupera y se utiliza para calentar los neumáticos. La energía que no se recupera contribuye a la fuerza de retroceso, un proceso llamado fricción de rodadura .

Similar a la fricción de rodadura, hay términos de energía en la transferencia de carga, que contribuyen a la fricción. En la fricción estática hay un acoplamiento entre las deformaciones elásticas, la polarización y la carga superficial que contribuye a la fuerza de fricción. [ 84 ] En la fricción por deslizamiento, [ 110 ] cuando las asperezas entran en contacto [ 38 ] y hay transferencia de carga, parte de la carga regresa cuando se liberan los contactos, parte no [ 111 ] y contribuirá a la fricción observada macroscópicamente. Hay evidencia de una fuerza de Coulomb retardadora entre asperezas de diferentes cargas, [ 112 ] y un aumento en la adhesión por electrificación de contacto cuando los geckos caminan sobre el agua. [ 113 ] También hay evidencia de conexiones entre procesos bruscos (pegado-deslizamiento) durante el deslizamiento con transferencia de carga, [ 44 ] descarga eléctrica [ 114 ] y emisión de rayos X. [ 98 ] Se ha debatido cuán grande es la contribución triboeléctrica a la fricción. Algunos han sugerido [ 112 ] que puede predominar en el caso de los polímeros, mientras que Harper [ 115 ] ha argumentado que es pequeño.

Líquidos y gases

Ilustración de la tribocarga generada por una gota deslizante

La generación de electricidad estática a partir del movimiento relativo de líquidos o gases está bien establecida, con uno de los primeros análisis en 1886 por Lord Kelvin en su gotero de agua que usaba gotas que caían para crear un generador eléctrico. [ 116 ] El mercurio líquido es un caso especial ya que normalmente actúa como un metal simple, por lo que se ha usado como electrodo de referencia. [ 2 ] Más común es el agua, y la electricidad debida a las gotas de agua que golpean superficies se ha documentado desde el descubrimiento por Philipp Lenard en 1892 de la electrificación por pulverización o efecto cascada . [ 117 ] [ 118 ] Esto ocurre cuando el agua que cae genera electricidad estática ya sea por colisiones entre gotas de agua o con el suelo, lo que hace que la niebla más fina en las corrientes ascendentes esté principalmente cargada negativamente, con carga positiva cerca de la superficie inferior. También puede ocurrir con gotas que se deslizan. [ 119 ]

Otro tipo de carga puede producirse durante la solidificación rápida del agua que contiene iones, lo que se denomina efecto Workman-Reynolds . [ 120 ] Durante la solidificación, los iones positivos y negativos pueden no estar distribuidos uniformemente entre el líquido y el sólido. [ 121 ] Por ejemplo, en las tormentas eléctricas, esto puede contribuir (junto con el efecto cascada) a la separación de iones de hidrógeno positivos e iones de hidróxido negativos, lo que produce carga estática y rayos . [ 122 ]

Una tercera clase se asocia con las diferencias de potencial de contacto entre líquidos o gases y otros materiales, similar a las diferencias de función de trabajo para sólidos. Se ha sugerido que una serie triboeléctrica para líquidos es útil. [ 123 ] Una diferencia con los sólidos es que los líquidos a menudo tienen capas dobles cargadas , y la mayor parte del trabajo hasta la fecha apoya que la transferencia de iones (en lugar de electrones) domina para los líquidos [ 124 ] como sugirió por primera vez Irving Langmuir en 1938. [ 125 ]

Finalmente, en los líquidos pueden existir gradientes de caudal en las interfaces, así como gradientes de viscosidad. Estos pueden producir campos eléctricos y también polarización del líquido, un campo denominado electrohidrodinámica . [ 126 ] Estos son análogos a los términos electromecánicos para sólidos, donde los campos eléctricos pueden aparecer debido a deformaciones elásticas, como se describió anteriormente .

Polvos

Durante el procesamiento comercial de polvos [ 3 ] [ 127 ] [ 128 ] o en procesos naturales como tormentas de polvo, [ 129 ] [ 130 ] [ 8 ] puede ocurrir transferencia de carga triboeléctrica. Pueden existir campos eléctricos de hasta 160 kV/m con condiciones de viento moderadas, lo que produce fuerzas de Coulomb de aproximadamente la misma magnitud que la gravedad. [ 131 ] No es necesario que haya aire presente, puede ocurrir una carga significativa, por ejemplo, en cuerpos planetarios sin atmósfera. [ 132 ] Con polvos farmacéuticos y otros polvos comerciales, la carga triboeléctrica debe controlarse para el control de calidad de los materiales y las dosis. La descarga estática también es un peligro particular en elevadores de granos debido al peligro de una explosión de polvo , [ 133 ] en lugares que almacenan polvos explosivos, [ 134 ] y en muchos otros casos. [ 135 ] La separación triboeléctrica de polvos se ha discutido como un método para separar polvos, por ejemplo, diferentes biopolímeros. [ 136 ] El principio aquí es que se pueden explotar diferentes grados de carga para la separación electrostática, un concepto general para polvos. [ 137 ]

En la industria

Señal de peligro de electricidad estática (ISO 7010)

Existen muchos sectores industriales donde la triboelectricidad es un problema conocido. Algunos ejemplos son:

  • Las tuberías no conductoras que transportan líquidos o combustibles combustibles como la gasolina pueden provocar la acumulación de carga triboeléctrica en las paredes de las tuberías, lo que puede generar potenciales de hasta 90 kV. [ 138 ] Los sistemas de transporte neumático en la industria pueden provocar incendios debido a la carga triboeléctrica generada durante su uso. [ 139 ]
  • En los buques, el contacto entre la carga y las tuberías durante la carga y descarga, así como el flujo en las tuberías de vapor y los chorros de agua en las máquinas de limpieza, pueden provocar una acumulación peligrosa de refrigerante. [ 140 ] Existen cursos para enseñar a los marineros los peligros. [ 141 ]
  • Las autoridades estadounidenses exigen que casi todas las instalaciones industriales midan las emisiones de partículas de polvo. Se utilizan diversos sensores basados ​​en la triboelectricidad, y en 1997 la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) publicó directrices para los sistemas de detección de fugas en bolsas de filtro de tela triboeléctricas. [ 142 ] Existen sensores comerciales disponibles para la detección de polvo triboeléctrico. [ 143 ]
  • Limpiar una barandilla cerca de un tanque de productos químicos mientras se llena con una sustancia inflamable puede provocar chispas que enciendan el producto. Esta fue la causa de una explosión en 2017 que dejó un muerto y varios heridos. [ 144 ]

Otros ejemplos

Mechas estáticas en un winglet del Airbus A319-132

Si bien el simple hecho de acariciar a un gato es familiar para muchos, existen otras áreas en la civilización tecnológica moderna donde se explota la triboelectricidad o donde existe preocupación al respecto:

  • El aire que pasa cerca de una aeronave puede generar una acumulación de carga llamada "estática de precipitación" o "P-estática"; las aeronaves suelen tener una o más mechas antiestáticas para eliminarla. [ 145 ] Comprobar el estado de estas es una tarea habitual para los pilotos. [ 146 ] De manera similar, las palas de los helicópteros se mueven rápidamente y la tribocarga puede generar voltajes de hasta 200 kV. [ 147 ]
  • Durante la formación planetaria, un paso clave es la agregación de polvo o partículas más pequeñas. [ 9 ] Existe evidencia de que la carga triboeléctrica durante las colisiones de material granular juega un papel clave para superar las barreras a la agregación. [ 148 ]
  • La ropa protectora médica de un solo uso debe cumplir ciertas regulaciones de carga triboeléctrica en China. [ 149 ]
  • Los vehículos espaciales pueden acumular una carga triboeléctrica significativa que puede interferir con las comunicaciones, como el envío de señales de autodestrucción. Algunos lanzamientos se han retrasado debido a condiciones meteorológicas que podrían provocar carga triboeléctrica. [ 150 ]
  • Los nanogeneradores triboeléctricos son dispositivos de recolección de energía que convierten la energía mecánica en electricidad. [ 151 ]
  • El ruido triboeléctrico en los conjuntos de cables médicos y conductores se genera cuando los conductores, el aislamiento y los rellenos rozan entre sí al flexionarse los cables durante el movimiento. Mantener el ruido triboeléctrico en niveles aceptables requiere una cuidadosa selección de materiales, diseño y procesamiento. [ 152 ] También representa un problema para los transductores electroacústicos subacuáticos si se producen movimientos de flexión en los cables; se cree que el mecanismo implica un movimiento relativo entre un dieléctrico y un conductor en el cable. [ 153 ]
Cinturones antiestáticos en un coche en Rusia en 2014.
  • El negro de humo añadido a los neumáticos de los vehículos ayuda a disipar la carga triboeléctrica que podría provocar una descarga eléctrica a los pasajeros al salir. [ 154 ] También se pueden adquirir correas de descarga. [ 155 ]

Véase también

Referencias

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  • Regresa Static Man , un podcast para niños sobre una amenaza enmascarada que se electrifica y va por ahí electrocutando a la gente.
  • Vídeo de una demostración con varillas cargadas en la Universidad de Minnesota que muestra la repulsión después de que las varillas se cargan triboeléctricamente, observándose diferentes casos de fuerzas repulsivas y atractivas.
  • Vídeo que demuestra la tribocarga mediante un peine de plástico frotado con un paño de algodón, que atrae pequeños trozos de papel.
  • Video sobre carga triboeléctrica de la Khan Academy . Explica el modelo de diferencia de potencial de contacto, utilizando el término afinidad electrónica , que tiene el mismo significado que la función de trabajo .