Eletricidade estática - Static electricity

O contato com a lâmina deixou o cabelo da criança com carga positiva, de modo que os fios individuais se repelem. O cabelo também pode ser atraído para a superfície da lâmina com carga negativa.

Eletricidade estática é um desequilíbrio de cargas elétricas dentro ou na superfície de um material. A carga permanece até que seja capaz de se mover por meio de uma corrente elétrica ou descarga elétrica . A eletricidade estática é nomeada em contraste com a eletricidade atual , que flui através de fios ou outros condutores e transmite energia .

Uma carga elétrica estática pode ser criada sempre que duas superfícies entram em contato e se desgastam e se separam, e pelo menos uma das superfícies tem uma alta resistência à corrente elétrica (e é, portanto, um isolante elétrico ). Os efeitos da eletricidade estática são familiares para a maioria das pessoas porque as pessoas podem sentir, ouvir e até ver a faísca, pois o excesso de carga é neutralizado quando trazido para perto de um grande condutor elétrico (por exemplo, um caminho para o solo) ou uma região com uma carga excessiva de polaridade oposta (positiva ou negativa). O fenômeno familiar de um choque estático - mais especificamente, uma descarga eletrostática  - é causado pela neutralização de uma carga.

Causas

Os materiais são feitos de átomos que normalmente são eletricamente neutros porque contêm números iguais de cargas positivas ( prótons em seus núcleos ) e cargas negativas ( elétrons em " camadas " ao redor do núcleo). O fenômeno da eletricidade estática requer uma separação de cargas positivas e negativas. Quando dois materiais estão em contato, os elétrons podem se mover de um material para o outro, o que deixa um excesso de carga positiva em um material e uma carga negativa igual no outro. Quando os materiais são separados, eles retêm esse desequilíbrio de carga.

Separação de carga induzida por contato

Amendoins de isopor grudam no pelo de um gato devido à eletricidade estática. Esse efeito também é a causa da aderência estática nas roupas.

Elétrons podem ser trocados entre materiais em contato; materiais com elétrons fracamente ligados tendem a perdê-los, enquanto materiais com camadas externas esparsamente preenchidas tendem a ganhá-los. Isso é conhecido como efeito triboelétrico e resulta em um material que fica carregado positivamente e o outro negativamente. A polaridade e a força da carga em um material, uma vez separados, dependem de suas posições relativas na série triboelétrica . O efeito triboelétrico é a principal causa da eletricidade estática observada na vida cotidiana e em demonstrações de ciências comuns no ensino médio, envolvendo esfregar diferentes materiais (por exemplo, pele contra uma haste de acrílico). A separação de carga induzida por contato faz com que seu cabelo se levante e causa " aderência estática " (por exemplo, um balão esfregado contra o cabelo torna-se carregado negativamente; quando perto de uma parede, o balão carregado é atraído por partículas carregadas positivamente na parede, e pode "agarrar-se" a ele, parecendo estar suspenso contra a gravidade).

Separação de carga induzida por pressão

O estresse mecânico aplicado gera uma separação de carga em certos tipos de cristais e moléculas de cerâmica .

Separação de carga induzida por calor

O aquecimento gera uma separação de carga nos átomos ou moléculas de certos materiais. Todos os materiais piroelétricos também são piezoelétricos. As propriedades atômicas ou moleculares da resposta ao calor e à pressão estão intimamente relacionadas.

Separação de carga induzida por carga

Um objeto carregado aproximado de um objeto eletricamente neutro causa uma separação de carga dentro do objeto neutro. Cargas da mesma polaridade são repelidas e cargas da polaridade oposta são atraídas. Como a força devido à interação de cargas elétricas diminui rapidamente com o aumento da distância, o efeito das cargas mais próximas (polaridade oposta) é maior e os dois objetos sentem uma força de atração. O efeito é mais pronunciado quando o objeto neutro é um condutor elétrico, pois as cargas são mais livres para se mover. O aterramento cuidadoso de parte de um objeto com uma separação de carga induzida por carga pode adicionar ou remover permanentemente elétrons, deixando o objeto com uma carga global permanente. Este processo é parte integrante do funcionamento do gerador Van de Graaff , um dispositivo comumente usado para demonstrar os efeitos da eletricidade estática.

Remoção e prevenção

A remoção ou prevenção do acúmulo de carga estática pode ser tão simples quanto abrir uma janela ou usar um umidificador para aumentar o teor de umidade do ar, tornando a atmosfera mais condutiva. Os ionizadores de ar podem realizar a mesma tarefa.

Itens que são particularmente sensíveis à descarga estática podem ser tratados com a aplicação de um agente antiestático , que adiciona uma camada de superfície condutora que garante que qualquer excesso de carga seja uniformemente distribuído. Amaciantes de roupas e secadores usados ​​em máquinas de lavar e secar roupa são um exemplo de agente antiestático usado para prevenir e remover aderência estática .

Muitos dispositivos semicondutores usados ​​em eletrônicos são particularmente sensíveis à descarga estática. Sacos antiestáticos condutores são comumente usados ​​para proteger esses componentes. Pessoas que trabalham em circuitos que contêm esses dispositivos geralmente se aterram com uma pulseira antiestática condutiva .

Em ambientes industriais como fábricas de tintas ou farinha, bem como em hospitais, botas de segurança antiestáticas são às vezes usadas para evitar o acúmulo de carga estática devido ao contato com o chão. Esses sapatos têm solas com boa condutividade. Sapatos antiestáticos não devem ser confundidos com sapatos isolantes, que fornecem exatamente o benefício oposto - alguma proteção contra choques elétricos graves da tensão da rede elétrica .

Descarga estática

A faísca associada à eletricidade estática é causada por descarga eletrostática, ou simplesmente descarga estática, pois o excesso de carga é neutralizado por um fluxo de cargas de ou para o ambiente.

A sensação de um choque elétrico é causada pela estimulação dos nervos à medida que a corrente neutralizante flui pelo corpo humano. A energia armazenada como eletricidade estática em um objeto varia de acordo com o tamanho do objeto e sua capacitância , a voltagem na qual ele é carregado e a constante dielétrica do meio circundante. Para modelar o efeito da descarga estática em dispositivos eletrônicos sensíveis, um ser humano é representado como um capacitor de 100 picofarads , carregado com uma tensão de 4.000 a 35.000 volts. Ao tocar um objeto, essa energia é descarregada em menos de um microssegundo. Embora a energia total seja pequena, da ordem de milijoules , ela ainda pode danificar dispositivos eletrônicos sensíveis. Objetos maiores armazenam mais energia, o que pode ser diretamente perigoso para o contato humano ou pode dar uma faísca que pode inflamar um gás inflamável ou poeira.

Raio

Descarga estática natural

O relâmpago é um exemplo natural dramático de descarga estática. Embora os detalhes não sejam claros e permaneçam um assunto de debate, acredita-se que a separação de carga inicial esteja associada ao contato entre as partículas de gelo dentro das nuvens de tempestade. Em geral, acúmulos de carga significativos só podem persistir em regiões de baixa condutividade elétrica (muito poucas cargas livres para se mover nas redondezas), portanto, o fluxo de cargas neutralizantes frequentemente resulta de átomos e moléculas neutras no ar sendo separados para formar positivo separado e cargas negativas, que viajam em direções opostas como uma corrente elétrica, neutralizando o acúmulo original de carga. A carga estática do ar normalmente se quebra dessa forma em cerca de 10.000 volts por centímetro (10 kV / cm), dependendo da umidade. A descarga superaquece o ar circundante, causando o flash brilhante e produz uma onda de choque que causa o som de clique. O relâmpago é simplesmente uma versão ampliada das faíscas vistas em ocorrências mais domésticas de descarga estática. O flash ocorre porque o ar no canal de descarga é aquecido a uma temperatura tão alta que emite luz por incandescência . O estrondo de um trovão é o resultado da onda de choque criada à medida que o ar superaquecido se expande de forma explosiva.

Componentes eletrônicos

Muitos dispositivos semicondutores usados ​​em eletrônicos são muito sensíveis à presença de eletricidade estática e podem ser danificados por uma descarga estática. O uso de uma cinta antiestática é obrigatório para pesquisadores que manipulam nanodispositivos. Outras precauções podem ser tomadas tirando os sapatos com sola de borracha grossa e permanecendo permanentemente com um aterramento metálico.

Acúmulo de estática no fluxo de materiais inflamáveis ​​e inflamáveis

A eletricidade estática é um grande perigo ao reabastecer uma aeronave.

A descarga de eletricidade estática pode criar riscos graves nas indústrias que lidam com substâncias inflamáveis, onde uma pequena faísca elétrica pode inflamar misturas explosivas.

O movimento de fluxo de substâncias em pó fino ou fluidos de baixa condutividade em tubos ou por agitação mecânica pode gerar eletricidade estática. O fluxo de grânulos de material como areia por um chute de plástico pode transferir carga, que pode ser facilmente medida usando um multímetro conectado a uma folha de metal que reveste o chute em intervalos, e pode ser aproximadamente proporcional ao fluxo de partículas. Nuvens de poeira de substâncias em pó finamente podem se tornar combustíveis ou explosivas. Quando há uma descarga estática em uma nuvem de poeira ou vapor, explosões ocorreram. Entre os principais incidentes industriais que ocorreram estão: um silo de grãos no sudoeste da França, uma fábrica de tintas na Tailândia, uma fábrica de moldes de fibra de vidro no Canadá, uma explosão em um tanque de armazenamento em Glenpool , Oklahoma em 2003, e uma operação de enchimento de tanque portátil e um fazenda de tanques em Des Moines , Iowa e Valley Center, Kansas em 2007.

A capacidade de um fluido de reter uma carga eletrostática depende de sua condutividade elétrica. Quando fluidos de baixa condutividade fluem através de tubulações ou são mecanicamente agitados, ocorre a separação de carga induzida por contato chamada eletrificação de fluxo . Os fluidos com baixa condutividade elétrica (abaixo de 50 picosiemens por metro) são chamados de acumuladores. Fluidos com condutividade acima de 50 pS / m são chamados de não acumuladores. Em não acumuladores, as cargas se recombinam tão rápido quanto são separadas e, portanto, o acúmulo de carga eletrostática não é significativo. Na indústria petroquímica , 50 pS / m é o valor mínimo recomendado de condutividade elétrica para a remoção adequada de carga de um fluido.

Os querosenos podem ter condutividade variando de menos de 1 picosiemens por metro a 20 pS / m. Para comparação, a água desionizada tem uma condutividade de cerca de 10.000.000 pS / m ou 10 µS / m.

O óleo de transformador faz parte do sistema de isolamento elétrico de grandes transformadores e outros aparelhos elétricos. O reabastecimento de aparelhos grandes requer precauções contra a carga eletrostática do fluido, que pode danificar o isolamento sensível do transformador.

Um conceito importante para fluidos isolantes é o tempo de relaxamento estático. Isso é semelhante à constante de tempo τ (tau) em um circuito RC . Para materiais isolantes, é a razão da constante dielétrica estática dividida pela condutividade elétrica do material. Para fluidos de hidrocarbonetos, isso às vezes é aproximado dividindo o número 18 pela condutividade elétrica do fluido. Assim, um fluido que tem uma condutividade elétrica de 1 pS / m tem um tempo de relaxamento estimado de cerca de 18 segundos. O excesso de carga em um fluido se dissipa quase completamente após quatro a cinco vezes o tempo de relaxamento, ou 90 segundos para o fluido no exemplo acima.

A geração de carga aumenta em velocidades de fluido mais altas e diâmetros de tubo maiores, tornando-se bastante significativa em tubos de 8 polegadas (200 mm) ou maiores. A geração de carga estática nesses sistemas é melhor controlada limitando a velocidade do fluido. A norma britânica BS PD CLC / TR 50404: 2003 (anteriormente BS-5958-Parte 2) Código de Prática para Controle de Eletricidade Estática Indesejável prescreve limites de velocidade de fluxo de tubo. Como o conteúdo de água tem um grande impacto na constante dielétrica dos fluidos, a velocidade recomendada para fluidos de hidrocarbonetos contendo água deve ser limitada a 1 metro por segundo.

A ligação e o aterramento são as maneiras usuais pelas quais o acúmulo de carga pode ser evitado. Para fluidos com condutividade elétrica abaixo de 10 pS / m, ligação e aterramento não são adequados para dissipação de carga, e aditivos antiestáticos podem ser necessários.

Operações de abastecimento

O movimento de fluidos de líquidos inflamáveis ​​como gasolina dentro de um cano pode acumular eletricidade estática. Líquidos não polares, como gasolina , tolueno , xileno , diesel , querosene e óleos crus leves exibem capacidade significativa de acumulação e retenção de carga durante o fluxo de alta velocidade. Descargas eletrostáticas podem inflamar o vapor do combustível. Quando a energia da descarga eletrostática é alta o suficiente, ela pode inflamar um vapor de combustível e uma mistura de ar. Combustíveis diferentes têm limites de inflamáveis diferentes e requerem níveis diferentes de energia de descarga eletrostática para acender.

A descarga eletrostática durante o abastecimento com gasolina é um perigo presente nos postos de gasolina . Também ocorreram incêndios em aeroportos durante o reabastecimento de aeronaves com querosene. Novas tecnologias de aterramento, o uso de materiais condutores e a adição de aditivos antiestáticos ajudam a prevenir ou dissipar com segurança o acúmulo de eletricidade estática.

O movimento de fluxo de gases em tubos por si cria pouca ou nenhuma eletricidade estática. Prevê-se que um mecanismo de geração de carga ocorre apenas quando partículas sólidas ou gotículas de líquido são transportadas na corrente de gás.

Na exploração espacial

Devido à umidade extremamente baixa em ambientes extraterrestres, cargas estáticas muito grandes podem se acumular, causando um grande risco para a eletrônica complexa usada em veículos de exploração espacial. A eletricidade estática é considerada um perigo particular para os astronautas em missões planejadas à Lua e Marte . Caminhar sobre um terreno extremamente seco pode fazer com que eles acumulem uma quantidade significativa de carga; estender a mão para abrir a eclusa de ar em seu retorno pode causar uma grande descarga estática, potencialmente danificando os componentes eletrônicos sensíveis.

Quebra de ozônio

Quebra de ozônio em tubos de borracha natural

Uma descarga estática na presença de ar ou oxigênio pode criar ozônio . O ozônio pode degradar as peças de borracha. Muitos elastômeros são sensíveis à quebra do ozônio . A exposição ao ozônio cria rachaduras penetrativas profundas em componentes críticos como juntas e anéis de vedação . As linhas de combustível também são suscetíveis ao problema, a menos que ações preventivas sejam tomadas. As medidas preventivas incluem adicionar anti-ozonantes à mistura de borracha ou usar um elastômero resistente ao ozônio. Os incêndios de tubulações de combustível rachadas têm sido um problema para os veículos, especialmente nos compartimentos do motor, onde o ozônio pode ser produzido por equipamentos elétricos.

Energias envolvidas

A energia liberada em uma descarga de eletricidade estática pode variar em uma ampla faixa. A energia em joules pode ser calculada a partir da capacitância ( C ) do objeto e do potencial estático V em volts (V) pela fórmula E  = ½ CV 2 . Um experimentador estima a capacitância do corpo humano em até 400  picofarads e uma carga de 50.000 volts, descarregada, por exemplo, ao tocar em um carro carregado, criando uma faísca com energia de 500 milijoules. Outra estimativa é de 100–300 pF e 20.000 volts, produzindo uma energia máxima de 60 mJ. IEC 479 -2: 1987 afirma que uma descarga com energia superior a 5000 mJ é um risco sério direto para a saúde humana. A IEC 60065 afirma que produtos de consumo não podem descarregar mais de 350 mJ em uma pessoa.

O potencial máximo é limitado a cerca de 35–40 kV, devido à descarga corona que dissipa a carga em potenciais mais elevados. Potenciais abaixo de 3.000 volts normalmente não são detectáveis ​​por humanos. O potencial máximo comumente alcançado no corpo humano varia entre 1 e 10 kV, embora em condições ideais até 20–25 kV possa ser alcançado. A baixa umidade relativa aumenta o acúmulo de carga; caminhar 20 pés (6 m) em piso de vinil com 15% de umidade relativa causa aumento de tensão de até 12 kV, enquanto com 80% de umidade a tensão é de apenas 1,5 kV.

Apenas 0,2 milijoules podem representar um risco de ignição; essa energia de faísca baixa geralmente está abaixo do limite da percepção visual e auditiva humana.

As energias de ignição típicas são:

  • 0,017 mJ para hidrogênio ,
  • 0,2-2 mJ para vapores de hidrocarbonetos ,
  • 1–50 mJ para poeira inflamável fina,
  • 40–1000 mJ para poeira inflamável grossa.

A energia necessária para danificar a maioria dos dispositivos eletrônicos está entre 2 e 1000 nanojoules.

Uma energia relativamente pequena, freqüentemente tão pequena quanto 0,2–2 milijoules, é necessária para inflamar uma mistura inflamável de um combustível e ar. Para os gases e solventes de hidrocarbonetos industriais comuns, a energia de ignição mínima necessária para a ignição da mistura de vapor-ar é mais baixa para a concentração de vapor aproximadamente no meio entre o limite explosivo inferior e o limite explosivo superior , e aumenta rapidamente conforme a concentração se desvia de este ótimo para ambos os lados. Aerossóis de líquidos inflamáveis ​​podem ser inflamados bem abaixo de seu ponto de inflamação . Geralmente, os aerossóis líquidos com tamanhos de partículas abaixo de 10 micrômetros se comportam como vapores, tamanhos de partículas acima de 40 micrômetros se comportam mais como pós inflamáveis. As concentrações inflamáveis ​​mínimas típicas de aerossóis estão entre 15 e 50 g / m 3 . Da mesma forma, a presença de espuma na superfície de um líquido inflamável aumenta significativamente a inflamabilidade. O aerossol de poeira inflamável também pode ser inflamado, resultando em uma explosão de poeira ; o limite explosivo inferior geralmente fica entre 50 e 1000 g / m 3 ; pós mais finos tendem a ser mais explosivos e requerem menos energia da faísca para detonar. A presença simultânea de vapores inflamáveis ​​e poeira inflamável pode diminuir significativamente a energia de ignição; apenas 1% em volume de propano no ar pode reduzir a energia necessária de ignição da poeira em 100 vezes. Um conteúdo de oxigênio mais alto que o normal na atmosfera também reduz significativamente a energia de ignição.

Existem cinco tipos de descargas elétricas :

  • Spark , responsável pela maioria dos incêndios e explosões industriais que envolvem eletricidade estática. As faíscas ocorrem entre objetos em diferentes potenciais elétricos. Um bom aterramento de todas as peças do equipamento e precauções contra o acúmulo de carga no equipamento e no pessoal são usados ​​como medidas de prevenção.
  • A descarga da escova ocorre a partir de uma superfície carregada não condutiva ou de líquidos não condutores altamente carregados. A energia é limitada a cerca de 4 milijoules. Para ser perigoso, a tensão envolvida deve estar acima de cerca de 20 quilovolts, a polaridade da superfície deve ser negativa, uma atmosfera inflamável deve estar presente no ponto de descarga e a energia de descarga deve ser suficiente para a ignição. Além disso, como as superfícies têm uma densidade de carga máxima, uma área de pelo menos 100 cm 2 deve ser envolvida. Isso não é considerado um perigo para nuvens de poeira.
  • A descarga da escova de propagação é altamente energética e perigosa. Ocorre quando uma superfície isolante de até 8 mm de espessura (por exemplo, um revestimento de teflon ou vidro de um tubo de metal aterrado ou um reator) é submetida a um grande acúmulo de carga entre as superfícies opostas, agindo como um capacitor de grande área.
  • A descarga do cone , também chamada de descarga de escova de volume , ocorre sobre superfícies de pós carregados com resistência acima de 10 10  ohms, ou também profundamente na massa do pó. Descargas de cone geralmente não são observadas em volumes de poeira abaixo de 1 m 3 . A energia envolvida depende do tamanho do grão do pó e da magnitude da carga, podendo atingir até 20 mJ. Volumes maiores de poeira produzem energias mais altas.
  • Descarga corona , considerada não perigosa.

Veja também

Referências

links externos