Efeito triboelétrico - Triboelectric effect
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O efeito triboelétrico (também conhecido como carga triboelétrica ) é um tipo de eletrificação de contato em que certos materiais tornam-se eletricamente carregados após serem separados de um material diferente com o qual estavam em contato. Esfregar os dois materiais um com o outro aumenta o contato entre suas superfícies e, portanto, o efeito triboelétrico. Esfregar vidro com pele, por exemplo, ou um pente de plástico no cabelo, pode gerar triboeletricidade. A maior parte da eletricidade estática do dia a dia é triboelétrica. A polaridade e a força das cargas produzidas diferem de acordo com os materiais, rugosidade da superfície, temperatura, deformação e outras propriedades.
O efeito triboelétrico é muito imprevisível e apenas amplas generalizações podem ser feitas. O âmbar , por exemplo, pode adquirir uma carga elétrica por contato e separação (ou fricção ) com um material como a lã . Esta propriedade foi registrada pela primeira vez por Tales de Mileto . A palavra " eletricidade " é derivada da cunhagem inicial de William Gilbert , "electra", que se origina na palavra grega para âmbar, ēlektron . O prefixo tribo- (grego para 'esfregar') refere-se a 'fricção', como na tribologia . Outros exemplos de materiais que podem adquirir uma carga significativa quando esfregados incluem vidro esfregado com seda e borracha dura esfregada com pele .
Um exemplo muito familiar poderia ser o atrito de uma caneta de plástico em uma manga de quase qualquer material típico, como algodão, lã, poliéster ou tecido misturado usado em roupas modernas. Essa caneta eletrificada atrairia e pegaria facilmente pedaços de papel com menos de um centímetro quadrado quando a caneta se aproximasse. Além disso, essa caneta repelirá uma caneta eletrificada da mesma forma. Essa repulsão é facilmente detectável na configuração sensível de pendurar ambas as canetas nos fios e colocá-las próximas uma da outra. Tais experimentos levam prontamente à teoria de dois tipos de carga elétrica quantificável, sendo um efetivamente o negativo do outro, com uma soma simples respeitando os sinais que fornecem a carga total. A atração eletrostática da caneta de plástico carregada para pedaços neutros de papel sem carga (por exemplo) é devido à separação temporária de carga (polarização elétrica ou momento de dipolo) de cargas elétricas dentro do papel (ou talvez alinhamentos de dipolos elétricos atômicos ou moleculares permanentes). Uma força resultante surge então à medida que as cargas ligeiramente mais próximas do dipolo são atraídas mais fortemente no campo não uniforme da caneta, o que diminui com a distância. Em um campo elétrico uniforme, por exemplo, dentro de placas de capacitor paralelas, a polarização temporária ocorreria nos pequenos pedaços de papel, mas com atração líquida zero.
O efeito triboelétrico é agora considerado relacionado ao fenômeno de adesão , onde dois materiais compostos de moléculas diferentes tendem a se prender devido à atração entre as diferentes moléculas. Embora a adesão não seja uma ligação química entre átomos, há uma troca de elétrons entre os diferentes tipos de moléculas, resultando em uma atração eletrostática entre as moléculas que os mantém unidos. A separação física de materiais aderidos resulta em atrito entre os materiais. Como a transferência de elétrons entre moléculas nos diferentes materiais não é imediatamente reversível, o excesso de elétrons em um tipo de molécula permanece para trás, enquanto ocorre um déficit de elétrons no outro. Assim, um material pode desenvolver uma carga positiva ou negativa (veja também eletricidade estática ) que se dissipa após a separação dos materiais.
Os mecanismos de triboeletrificação (ou eletrificação de contato) têm sido debatidos por muitos anos, com possíveis mecanismos incluindo transferência de elétrons, transferência de íons ou transferência de espécies do material. Estudos recentes em 2018 usando microscopia de sonda Kelvin e nanogeradores triboelétricos revelaram que a transferência de elétrons é o mecanismo dominante para triboeletrificação entre sólido e sólido. O modelo de função de trabalho pode ser usado para explicar a transferência de elétrons entre um metal e um dielétrico. O modelo de estados de superfície pode ser usado para explicar a transferência de elétrons entre dois dielétricos. Para um caso geral, uma vez que a triboeletrificação ocorre para qualquer material, um modelo genérico foi proposto por Wang, no qual a transferência de elétrons é causada por uma forte sobreposição de nuvem de elétrons entre dois átomos para a barreira de potencial interatômico reduzido ao encurtar o comprimento de ligação. Com base no modelo, foram investigados os efeitos da temperatura e fotoexcitação na triboeletrificação. Tal modelo pode ser estendido para os casos de líquido-sólido, líquido-líquido e até mesmo gás-líquido.
Série Triboelétrica
| Série Triboelétrica: |
| Carregado mais positivamente |
| + |
| Cabelo , pele oleosa |
| Nylon , pele seca |
| Copo |
| Acrílico, Lucite |
| Couro |
| Pele de coelho |
| Quartzo |
| Mica |
| Liderar |
| Pele de gato |
| Seda |
| Alumínio |
| Papel ( pequena carga positiva ) |
| Algodão |
| Lã ( sem custo ) |
| 0 |
| Aço ( sem custo ) |
| Madeira ( pequena carga negativa ) |
| Âmbar |
| Lacre |
| Poliestireno |
| Balão de borracha |
| Resinas |
| Borracha dura |
| Níquel , cobre |
| Enxofre |
| Latão , prata |
| Ouro , platina |
| Acetato , rayon |
| Borracha sintética |
| Poliéster |
| Estireno e poliestireno |
| Orlon |
| Envoltório plástico |
| Poliuretano |
| Polietileno (como fita adesiva ) |
| Polipropileno |
| Vinil ( PVC ) |
| Silício |
| Teflon (PTFE) |
| Borracha de silicone |
| Ebonite |
| - |
| Com carga mais negativa |
Uma série triboelétrica é uma lista de materiais, ordenados por certas propriedades relevantes, como a rapidez com que um material desenvolve uma carga em relação a outros materiais na lista. Johan Carl Wilcke publicou o primeiro em um artigo de 1757 sobre cargas estáticas. Os materiais são frequentemente listados em ordem de polaridade de separação de carga quando são tocados com outro objeto. Um material na parte inferior da série, quando tocado em um material próximo ao topo da série, adquirirá uma carga mais negativa. Quanto mais distantes dois materiais estiverem um do outro na série, maior será a carga transferida. Os materiais próximos uns dos outros na série não podem trocar qualquer encargo, ou podem até mesmo trocar o oposto do que está implícito na lista. Isso pode ser causado por fricção, por contaminantes ou óxidos ou outras variáveis. A série foi expandida por Shaw e Henniker, incluindo polímeros naturais e sintéticos, e mostrou a alteração na sequência dependendo das condições de superfície e ambientais. As listas variam um pouco quanto à ordem exata de alguns materiais, uma vez que a carga relativa varia para os materiais próximos. A partir de testes reais, há pouca ou nenhuma diferença mensurável na afinidade de carga entre os metais, provavelmente porque o movimento rápido dos elétrons de condução cancela essas diferenças.
Outra série triboelétrica baseada na medição da densidade de carga triboelétrica de materiais foi padronizada quantitativamente pelo grupo do Prof. Zhong Lin Wang. A densidade de carga triboelétrica dos materiais testados foi medida em relação ao mercúrio líquido em um porta - luvas sob condições bem definidas, com temperatura, pressão e umidade fixas para atingir valores confiáveis. O método proposto padroniza o conjunto experimental para quantificar uniformemente a triboeletrificação superficial de materiais em geral.
Causa
Embora a parte 'tribo-' venha do grego para "fricção", τρίβω (τριβή: atrito), os dois materiais só precisam entrar em contato para que os elétrons sejam trocados. Depois de entrar em contato, uma ligação química é formada entre partes das duas superfícies, chamada de adesão , e as cargas se movem de um material para o outro para equalizar seu potencial eletroquímico . Isso é o que cria o desequilíbrio líquido de carga entre os objetos. Quando separados, alguns dos átomos ligados têm a tendência de manter elétrons extras e alguns a tendência de distribuí-los, embora o desequilíbrio seja parcialmente destruído por tunelamento ou quebra elétrica (geralmente descarga corona ). Além disso, alguns materiais podem trocar íons de mobilidade diferente ou trocar fragmentos carregados de moléculas maiores.
O efeito triboelétrico está relacionado ao atrito apenas porque ambos envolvem adesão . No entanto, o efeito é bastante reforçado ao esfregar os materiais, pois eles se tocam e se separam várias vezes.
Para superfícies com geometria diferente, o atrito também pode levar ao aquecimento das saliências, causando separação de carga piroelétrica que pode aumentar a eletrificação de contato existente ou que pode se opor à polaridade existente. Os nanoefeitos de superfície não são bem compreendidos, e o microscópio de força atômica permitiu um rápido progresso neste campo da física.
Faíscas
Como a superfície do material está agora eletricamente carregada, seja negativa ou positivamente, qualquer contato com um objeto condutor não carregado ou com um objeto com carga substancialmente diferente pode causar uma descarga elétrica da eletricidade estática acumulada : uma faísca . Uma pessoa simplesmente andando por um tapete, removendo uma camisa de náilon ou esfregando-se no assento de um carro também pode criar uma diferença de potencial de muitos milhares de volts, o que é suficiente para causar uma faísca de um milímetro ou mais.
A descarga eletrostática pode não ser evidente em climas úmidos porque a condensação da superfície normalmente impede o carregamento triboelétrico, enquanto o aumento da umidade aumenta a condutividade elétrica do ar.
Descargas eletrostáticas (exceto relâmpagos que vêm de carga triboelétrica de gelo e gotículas de água dentro das nuvens) causam danos mínimos porque a energia (1/2V 2 C ) da centelha é muito pequena, sendo tipicamente várias dezenas de micro joules em clima frio e seco, e muito menos do que em condições úmidas; no entanto, essas faíscas podem inflamar vapores inflamáveis (ver riscos e contra-medidas ). Este não é o caso quando a capacitância de um dos objetos é muito grande.
Mecanismo de triboeletrificação
O potencial de interação interatômica pode ser aplicado para entender as interações entre os átomos. Quando dois átomos estão em posições de equilíbrio, com uma distância interatômica de equilíbrio, as nuvens de elétrons ou funções de onda são parcialmente sobrepostas. Por um lado, se os dois átomos se aproximam um do outro pressionados por uma força externa, a distância interatômica torna-se menor do que a distância de equilíbrio, os dois átomos se repelem devido ao aumento da sobreposição da nuvem de elétrons. É nesta região que ocorre a transferência de elétrons. Por outro lado, se os dois átomos estiverem separados um do outro de forma que tenham uma distância interatômica maior do que a distância de equilíbrio, eles se atrairão devido à interação de Van der Waals de longo alcance.
Um mecanismo de transferência de carga em escala atômica (modelo genérico de potencial de nuvem-elétron) foi proposto para a triboeletrificação. Primeiro, antes do contato em escala atômica de dois materiais, não há sobreposição entre suas nuvens de elétrons e existe uma força atrativa. Os elétrons estão tão fortemente ligados em órbitas específicas que não podem escapar livremente. Então, quando os dois átomos em dois materiais se aproximam do contato, uma ligação iônica ou covalente é formada entre eles pela sobreposição da nuvem de elétrons. Uma força externa pode diminuir ainda mais a distância interatômica (comprimento da ligação), e a forte sobreposição de nuvem de elétrons induz a queda da barreira de energia entre as duas, resultando na transferência de elétrons, que é o processo de triboeletrificação. Uma vez que os dois átomos são separados, os elétrons transferidos permaneceriam porque uma energia é necessária para que os elétrons sejam transferidos de volta, formando as cargas eletrostáticas nas superfícies dos materiais.
Em aeronaves e espaçonaves
Aeronaves voando em climas desenvolverão uma carga estática do atrito do ar na estrutura da aeronave. A estática pode ser descarregada com descarregadores estáticos ou mechas estáticas.
A NASA segue o que eles chamam de "regra de triboeletrificação", segundo a qual cancelam um lançamento se houver previsão de que o veículo de lançamento passe por certos tipos de nuvens. Voar através de nuvens de alto nível pode gerar "P-estática" (P para precipitação), que pode criar estática ao redor do veículo lançador que interferirá nos sinais de rádio enviados por ou para o veículo. Isso pode impedir a transmissão de telemetria para o solo ou, se necessário, o envio de um sinal para o veículo, particularmente sinais críticos para o sistema de terminação de voo. Quando um porão é colocado devido à regra de triboeletrificação, ele permanece até que o Space Wing e o pessoal de observação, como aqueles em aeronaves de reconhecimento, indiquem que o céu está limpo.
Riscos e contra-medidas
Ignição
O efeito é de considerável importância industrial em termos de segurança e danos potenciais aos produtos manufaturados. A descarga estática é um perigo particular em elevadores de grãos devido ao perigo de uma explosão de poeira . A faísca produzida é totalmente capaz de inflamar vapores inflamáveis, por exemplo, gasolina , fumaça de éter e também gás metano . Para entregas de combustível a granel e abastecimento de aeronaves, uma conexão de aterramento é feita entre o veículo e o tanque de recebimento antes de abrir os tanques. Ao abastecer veículos em uma estação de varejo, tocar no metal do carro antes de abrir o tanque de gasolina ou tocar no bico pode diminuir o risco de ignição estática dos vapores de combustível.
No local de trabalho
Meios devem ser fornecidos para descarregar estática de carrinhos que podem transportar líquidos voláteis, gases inflamáveis ou oxigênio em hospitais . Mesmo quando apenas uma pequena carga é produzida, pode resultar em partículas de poeira sendo atraídas para a superfície atritada. No caso da manufatura têxtil, isso pode levar a uma marca de sujeira permanente onde o tecido entra em contato com o acúmulo de poeira retido por uma carga estática. A atração de poeira pode ser reduzida tratando as superfícies isolantes com um agente de limpeza antiestático .
Danos à eletrônica
Alguns dispositivos eletrônicos , principalmente circuitos integrados CMOS e MOSFETs (um tipo de transistor), podem ser destruídos acidentalmente por descarga estática de alta tensão. Esses componentes são normalmente armazenados em uma espuma condutora para proteção. O aterramento tocando a bancada de trabalho ou usando uma pulseira especial ou tornozeleira é uma prática padrão durante o manuseio de circuitos integrados não conectados . Outra forma de dissipar carga é usando materiais condutores, como tapetes de borracha carregados com negro de fumo, em salas de cirurgia, por exemplo.
Dispositivos contendo componentes sensíveis devem ser protegidos durante o uso normal, instalação e desconexão, realizada por proteção projetada em conexões externas quando necessário. A proteção pode ser por meio do uso de dispositivos mais robustos ou contramedidas de proteção nas interfaces externas do dispositivo. Eles podem ser opto-isoladores , tipos menos sensíveis de transistores e dispositivos de bypass estático, como varistores de óxido de metal .
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Besançon RM (1985). The Encyclopedia of Physics, Third Edition . Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-25778-1.
- Allen RC (novembro de 2000). “Geração triboelétrica: carregando”. Engenharia de Avaliação EE . 39 (11): S4– +.
links externos
- A série TriboElectric ( grandes detalhes )
- Vídeo: explicação detalhada por físicos profissionais
- Charged Rod Demonstration , Universidade de Minnesota
- NASA , Science Crackling Planets
- Um pente de plástico esfregado com um pano de algodão atrai pequenos pedaços de papel (vídeo)
- Artigo da BBC News, 2005 - A jaqueta estática do homem acende alerta
- Triboelectric Generation: Getting Charged