Efecto triboeléctrico
Transferencia de carga por contacto o deslizamiento

Cacahuetes de poliestireno adheridos al pelaje de un gato debido a la electricidad estática .
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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 ) para todos los materiales sólidos. Hay evidencia de que la tribocarga puede ocurrir entre combinaciones de sólidos, líquidos y gases, por ejemplo, un líquido que fluye en un tubo sólido o un avión que vuela por el aire.

A menudo, la electricidad estática es una consecuencia del efecto triboeléctrico cuando la carga permanece en uno o ambos objetos y no se aleja. 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 carga triboeléctrica a veces se denomina electrificación de contacto , y cualquier electricidad estática generada a veces se denomina electricidad de contacto . Los términos a menudo se usan indistintamente y pueden confundirse.

La carga triboeléctrica desempeña un papel importante 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 ahora se comprenden y están ampliamente documentados, aún existen desacuerdos significativos 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 propios electrones. Los experimentos que involucraban triboelectricidad y electricidad estática ocurrieron antes del descubrimiento del electrón. El nombre ēlektron (ἤλεκτρον) es la palabra griega para ámbar , [10] [11] que está conectado con el registro de la 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 edad axial (siglos VIII al III a.C.) la atracción de materiales debida a la electricidad estática al frotar el ámbar y la atracción de materiales magnéticos se consideraban similares o iguales. [11] Hay indicios de que se conocía tanto en Europa como fuera, por ejemplo en China y otros lugares. [11] Las mujeres sirias utilizaban espirales de ámbar para tejer y explotaban las propiedades triboeléctricas, como señaló Plinio el Viejo . [11] [15]

El efecto fue mencionado en registros del período medieval. El arzobispo Eustacio de Tesalónica , erudito y escritor griego del siglo XII, registra que Woliver, rey de los godos , podía sacar chispas de su cuerpo. También afirma que un filósofo era capaz, mientras se vestía, de sacar chispas de su ropa, similar al informe de Robert Symmer sobre sus experimentos con medias de seda , que se puede encontrar en Philosophical Transactions de 1759. [16]

Generador construido por Francis Hauksbee [17]

En general, 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 cuando se frotaban, 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 del primer uso de la palabra electricidad en Pseudodoxia Epidemica . [19] Observó que los metales no mostraban carga triboeléctrica, tal vez porque la carga se alejaba. 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 hacía mucho más fácil producir más carga triboeléctrica; le siguieron otros generadores electrostáticos . [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 CF du Fay señaló que había dos tipos de carga, a los que llamó vítreos y resinosos . [21] [22] Estos nombres correspondían a las varillas de vidrio (vítreo) y al carbón bituminoso, ámbar o lacre (resinoso) utilizados en los experimentos de du Fay. [23] : I:44  Estos nombres se utilizaron 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 una sobreabundancia o subabundancia 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 la polaridad de separación de carga cuando se tocan o se deslizan contra otro. Un material hacia la parte inferior de la serie, cuando toca un material cerca de la parte superior de la serie, adquirirá una carga más negativa.

El primer análisis sistemático de la triboelectricidad se considera obra de Jean Claude Eugène Péclet en 1834. [26] Estudió la carga triboeléctrica para una variedad de condiciones como el material, la presión y el roce de superficies. Pasó algún tiempo antes de que hubiera más trabajos cuantitativos de Owen en 1909 [27] y Jones en 1915. [28] El conjunto más extenso de análisis experimentales tempranos fue de 1914-1930 por el grupo del Profesor Shaw, quien sentó gran parte de las bases 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 caerían los diferentes materiales en una serie triboeléctrica, al mismo tiempo que señalaba anomalías; [1] analizó por separado el vidrio y los elementos sólidos [30] y los elementos sólidos y los textiles, [31] midiendo cuidadosamente tanto la tribocarga como la fricción; analizaron la carga debida a partículas sopladas por el aire; [32] demostraron que la tensión y la relajación de la superficie desempeñaban un papel fundamental para una variedad de materiales, [33] [34] y examinaron la carga triboeléctrica de muchos elementos diferentes con sílice. [35]

Gran parte de este trabajo es anterior a una comprensión de las variaciones del estado sólido de los niveles de energía con la posición, y también la flexión de bandas . [36] Fue a principios de la década de 1950 en el trabajo de autores como Vick [37] que estos se tomaron en cuenta junto con conceptos como el efecto túnel cuántico y el comportamiento como los efectos de barrera Schottky , además de incluir modelos como 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 una manga de camisa hecha de algodón, lana, poliéster o las telas mezcladas que se usan 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 manera similar. Esta repulsión se puede detectar colgando ambos bolígrafos de hilos y colocándolos uno cerca del otro. Estos experimentos llevaron a la teoría de dos tipos de carga eléctrica, uno siendo el negativo del otro, con una simple suma de signos que 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  en el artículo.

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

Existen otros resultados experimentales más recientes que tampoco tienen una explicación sencilla. 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 dentro de un sustrato y cuando se retira; el trabajo detallado de Lee et al [45] y Forward, Lacks y Sankaran [46] y otros que miden la transferencia de carga durante las colisiones entre partículas de zirconia de diferente tamaño pero la misma composición, con un tamaño de carga positiva y el otro negativa; las observaciones utilizando microscopios de fuerza de sonda deslizante [46] o Kelvin [47] de variaciones de carga no homogéneas entre materiales nominalmente idénticos.

Ilustración de carga triboeléctrica por contacto con 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 sabe 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 Volta ) como una explicación completa. [54] [55] [56] [4] También está la cuestión de por qué el deslizamiento es a menudo 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] Volta y 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 vayan de un material a otro. [58] Una sugerencia diferente es que el calentamiento local durante el deslizamiento importa, [59] una idea sugerida por primera vez por Frenkel en 1941. [60] Otros artículos han considerado que la flexión local a escala nanométrica 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 ha habido intentos de incluir una descripción completa del estado sólido. [65] [66] [67] [58]

Explicaciones y mecanismos

Desde los primeros trabajos que comenzaron a fines del siglo XIX [27] [28] [29], se dispone de una gran cantidad de información sobre qué causa empíricamente la triboelectricidad. Si bien hay muchos datos experimentales sobre la triboelectricidad, aún no hay un consenso científico completo sobre la fuente [68] [69] o, quizás más probablemente, sobre las fuentes. 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 y las velocidades cuando las partículas chocan, así como 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 para la triboelectricidad es una serie triboeléctrica . Se trata de 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 incluyó alteraciones en la secuencia dependiendo de las condiciones ambientales y de la superficie. Las listas varían un poco en cuanto al orden de algunos materiales. [1] [71]

El grupo de Zhong Lin Wang propuso otra serie triboeléctrica basada en la medición de la densidad de carga triboeléctrica de los materiales . La densidad de carga triboeléctrica de los materiales probados se midió con respecto al mercurio líquido en una caja de guantes en condiciones bien definidas, con temperatura, presión y humedad fijas. [72] [73]

Densidades de carga triboeléctrica para los polímeros
Densidades de carga triboeléctrica para los óxidos
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 en los que hay triángulos: el material A es positivo cuando se frota contra B, B es positivo cuando se frota contra C y C es positivo cuando se frota contra A, un problema mencionado por Shaw en 1914. [29] Esto no se puede explicar mediante una serie lineal; las series cíclicas son inconsistentes con la serie triboeléctrica empírica. [75] Además, hay muchos casos en los que la carga se produce con contactos 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 de trabajo

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

En todos los materiales existe un potencial electrostático positivo proveniente de 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 tienen distintos PIM, dependiendo de los tipos de átomos y de lo cerca que estén. En una superficie, los electrones también se derraman un poco en el vacío, como analizaron en detalle Kohn y Liang. [36] [79] Esto conduce a un dipolo en la superficie. Combinados, el dipolo y el PIM conducen a una barrera potencial para que los electrones abandonen un material, lo que se denomina 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 los metales y otros materiales. [48] Sin embargo, debido a que los dipolos de superficie 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]

Contribuciones electromecánicas

Siempre que se deforma un sólido, se pueden generar campos eléctricos. Un proceso se debe a deformaciones lineales y se denomina piezoelectricidad ; el segundo depende de la rapidez con la que las deformaciones cambian con la distancia (derivada) y se denomina flexoelectricidad . Ambos son ciencias establecidas y se pueden medir y calcular utilizando métodos de teoría funcional de la densidad . Debido a que la flexoelectricidad depende de un gradiente, puede ser mucho mayor a escala nanométrica durante el deslizamiento o el contacto de asperezas entre dos objetos. [38]

Se ha trabajado mucho en la conexión entre piezoelectricidad y triboelectricidad. [80] [81] Si bien puede ser importante, la piezoelectricidad solo ocurre 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 ocurre en todos los aislantes y semiconductores. [82] [83] Muchos de los resultados experimentales, como el efecto de la curvatura, se pueden explicar mediante este enfoque, aunque aún no se han determinado todos los detalles. [62] También hay trabajos tempranos de Shaw y Hanstock, [33] y del grupo de Daniel Lacks que demuestran que la deformación importa. [84] [85] [70]

Modelo de compensación de carga de condensadores

Esquema de condensador con dieléctrico

Una explicación que ha aparecido en diferentes formas es análoga a la carga en un condensador. Si hay 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 conducirá a una densidad de polarización y una carga superficial ligada de , donde es la normal a la superficie. [86] [87] La ​​carga total en el condensador es entonces la combinación de la carga superficial ligada de la polarización y la del potencial. P {\displaystyle \mathbf {P} } P ⋅ n {\displaystyle \mathbf {P} \cdot \mathbf {n} } n {\displaystyle \mathbf {n} }

La carga triboeléctrica de este modelo de compensación se ha considerado con frecuencia como un componente clave. [88] [89] [90] [91] Si se incluye la polarización adicional debido a la tensión ( piezoelectricidad ) o 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] estaba más a favor de la transferencia de electrones. El debate continúa hasta el día de hoy, con, por ejemplo, George M. Whitesides defendiendo los iones, [92] mientras que Díaz y Fenzel-Alexander [93] así como Laurence D. Marks apoyan ambos, [61] [62] y otros sólo los electrones. [94]

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 . [95] Un punto de vista similar al de Derjaguin ha sido defendido más recientemente por Seth Putterman y sus colaboradores en la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA). [96] [97]

En 2020, los físicos teóricos Robert Alicki y Alejandro Jenkins publicaron una propuesta teórica de triboelectricidad como un proceso fundamentalmente irreversible . [58] Argumentaron que los electrones de 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 hacen que este desequilibrio bombee electrones de un material al otro. [58] Este es un análogo fermiónico del mecanismo de superradiancia rotacional descrito originalmente por Yakov Zeldovich para los bosones . [58] Los electrones se bombean en ambas direcciones, pero pequeñas diferencias en los paisajes de potencial electrónico de las dos superficies pueden provocar una carga neta. [58] Alicki y Jenkins argumentan que se necesita un bombeo irreversible de este tipo para comprender cómo el efecto triboeléctrico puede generar una fuerza electromotriz . [58] [98]

Humedad

En general, el aumento de la humedad (agua en el aire) conduce a una disminución en la magnitud de la carga triboeléctrica. [99] El tamaño de este efecto varía en gran medida dependiendo de los materiales en contacto; la disminución de la carga varía desde un factor de hasta 10 o más hasta una dependencia muy pequeña de la humedad. [100] Algunos experimentos encuentran un aumento de la carga en una humedad moderada en comparación con condiciones extremadamente secas antes de una disminución posterior en una humedad más alta. [101] La explicación más extendida es que una humedad más alta conduce a una mayor adsorción de agua en la superficie de los materiales en contacto, lo que conduce a una mayor conductividad superficial . [102] [103] La mayor conductividad permite una mayor recombinación de carga a medida que los contactos se separan, lo que resulta en una transferencia de carga más pequeña. [102] [104] [105] Otra explicación propuesta para los efectos de la humedad considera el caso en el 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. [101]

Ejemplos

Fricción y adherencia por carga triboeléctrica

La fricción [106] es una fuerza retardante debida a diferentes procesos de disipación de energía , como la deformación elástica y plástica, la excitación de fonones y electrones, y también la adhesión . [107] Como ejemplo, en un automóvil o cualquier otro vehículo, las ruedas se deforman elásticamente a medida que ruedan. Parte de la energía necesaria para esta deformación se recupera ( deformación elástica ), parte no y se destina a calentar los neumáticos. La energía que no se recupera contribuye a la fuerza de retroceso, un proceso llamado fricción de rodadura .

De manera similar a la fricción por rodadura, existen términos de energía en la transferencia de carga que contribuyen a la fricción. En la fricción estática , existe un acoplamiento entre las deformaciones elásticas, la polarización y la carga superficial que contribuye a la fuerza de fricción. [82] En la fricción por deslizamiento, [108] cuando las asperezas entran en contacto [38] y hay transferencia de carga, parte de la carga regresa cuando se liberan los contactos, parte no lo hace [109] y contribuirá a la fricción observada macroscópicamente. Hay evidencia de una fuerza de Coulomb retardante entre asperezas de diferentes cargas, [110] y un aumento en la adhesión por electrificación de contacto cuando los geckos caminan sobre el agua. [111] También hay evidencia de conexiones entre procesos espasmódicos (stick-slip) durante el deslizamiento con transferencia de carga, [44] descarga eléctrica [112] y emisión de rayos X. [96] Se ha debatido cuán grande es la contribución triboeléctrica a la fricción. Algunos han sugerido [110] que puede dominar para los polímeros, mientras que Harper [113] ha argumentado que es pequeña.

Líquidos y gases

Ilustración de la carga triboeléctrica generada a partir de una gota que se desliza

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. [114] El mercurio líquido es un caso especial, ya que normalmente actúa como un metal simple, por lo que se ha utilizado como electrodo de referencia. [2] Más común es el agua, y la electricidad debido a las gotas de agua que golpean las superficies se ha documentado desde el descubrimiento por Philipp Lenard en 1892 de la electrificación por pulverización o efecto cascada . [115] [116] Esto es cuando el agua que cae genera electricidad estática ya sea por colisiones entre gotas de agua o con el suelo, lo que lleva a 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 deslizantes. [117]

Otro tipo de carga puede producirse durante la solidificación rápida del agua que contiene iones, lo que se denomina efecto Workman-Reynolds . [118] Durante la solidificación, los iones positivos y negativos pueden no estar distribuidos de manera uniforme entre el líquido y el sólido. [119] 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 genera carga estática y rayos . [120]

Una tercera clase está asociada con las diferencias de potencial de contacto entre líquidos o gases y otros materiales, similares a las diferencias de función de trabajo para sólidos. Se ha sugerido que una serie triboeléctrica para líquidos es útil. [121] Una diferencia con los sólidos es que a menudo los líquidos tienen capas dobles cargadas , y la mayoría del trabajo hasta la fecha apoya que la transferencia de iones (en lugar de electrones) domina para los líquidos [122] como lo sugirió por primera vez Irving Langmuir en 1938. [123]

Por último, en el caso de los líquidos, puede haber gradientes de caudal en las interfases, así como gradientes de viscosidad. Estos pueden producir campos eléctricos y también polarización del líquido, un campo llamado electrohidrodinámica . [124] Estos son análogos a los términos electromecánicos para los sólidos, donde pueden producirse campos eléctricos debido a las tensiones elásticas, como se describió anteriormente.

Polvos

Durante el procesamiento de polvos comerciales [3] [125] [126] o en procesos naturales como tormentas de polvo, [127] [128] [8] puede ocurrir transferencia de carga triboeléctrica. Puede haber campos eléctricos de hasta 160 kV/m con condiciones de viento moderadas, lo que genera fuerzas de Coulomb de aproximadamente la misma magnitud que la gravedad. [129] No es necesario que haya aire presente, puede ocurrir una carga significativa, por ejemplo, en cuerpos planetarios sin aire. [130] 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 los elevadores de granos debido al peligro de una explosión de polvo , [131] en lugares que almacenan polvos explosivos, [132] y en muchos otros casos. [133] La separación de polvos triboeléctricos se ha discutido como un método para separar polvos, por ejemplo, diferentes biopolímeros. [134] El principio aquí es que se pueden aprovechar diferentes grados de carga para la separación electrostática, un concepto general para los polvos. [135]

En la industria

Señal de peligro de electricidad estática (ISO 7010)

Hay muchas áreas en la industria donde se sabe que la triboelectricidad es un problema. Algunos ejemplos son:

  • Las tuberías no conductoras que transportan líquidos combustibles o 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. [136] Los sistemas de transporte neumático en la industria pueden provocar incendios debido a la carga triboeléctrica generada durante su uso. [137]
  • En los barcos, 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 cargas peligrosas. [138] Existen cursos para enseñar a los marineros los peligros. [139]
  • Las autoridades estadounidenses exigen que casi todas las instalaciones industriales midan las emisiones de partículas en suspensión. Se utilizan diversos sensores basados ​​en la triboelectricidad y, en 1997, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos publicó directrices para los sistemas de detección de fugas mediante bolsas de filtro de tela triboeléctricas. [140] Existen sensores comerciales para la detección de polvo triboeléctrico. [141]
  • Limpiar un riel cerca de un tanque químico mientras se lo llena con un producto químico inflamable puede provocar chispas que enciendan el producto químico. Esta fue la causa de una explosión en 2017 que mató a una persona y hirió a muchas otras. [142]

Otros ejemplos

Mechas estáticas en un Winglet de Airbus A319-132

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

  • El aire que pasa por una aeronave puede generar una acumulación de carga; las aeronaves suelen tener una o más mechas estáticas para eliminarla. [143] Verificar el estado de estas es una tarea estándar para los pilotos. [144] De manera similar, las palas de los helicópteros se mueven rápido y la carga triboeléctrica puede generar voltajes de hasta 200 kV. [145]
  • Durante la formación planetaria, un paso clave es la agregación de polvo o partículas más pequeñas. [9] Hay evidencia de que la carga triboeléctrica durante las colisiones de material granular juega un papel clave en la superación de las barreras a la agregación. [146]
  • La ropa de protección médica de un solo uso debe cumplir con ciertas regulaciones de carga triboeléctrica en China. [147]
  • Los vehículos espaciales pueden acumular una cantidad importante de carga triboeléctrica que puede interferir con las comunicaciones, como el envío de señales de autodestrucción. Algunos lanzamientos se han retrasado debido a las condiciones meteorológicas, que podrían provocar carga triboeléctrica. [148]
  • Los nanogeneradores triboeléctricos son dispositivos de recolección de energía que convierten la energía mecánica en electricidad. [149]
  • El ruido triboeléctrico en los conjuntos de cables médicos y los cables conductores se genera cuando los conductores, el aislamiento y los rellenos se frotan entre sí a medida que los cables se flexionan durante el movimiento. Mantener el ruido triboeléctrico en niveles aceptables requiere una selección, un diseño y un procesamiento cuidadosos de los materiales. [150] También es un problema con los transductores electroacústicos submarinos si hay movimientos de flexión de los cables; se cree que el mecanismo implica un movimiento relativo entre un dieléctrico y un conductor en el cable. [151]
Cinturones antiestáticos en un coche en Rusia en 2014
  • Los neumáticos de los vehículos normalmente son oscuros porque se les agrega negro de carbón para ayudar a eliminar la carga triboeléctrica que puede electrocutar a los pasajeros cuando salen. [152] También hay correas de descarga que se pueden comprar. [153]

Véase también

Referencias

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  • El regreso de Static Man, un podcast para niños sobre una amenaza enmascarada que está electrificada y anda disparando a la gente.
  • Vídeo de una demostración de varilla cargada en la Universidad de Minnesota que muestra la repulsión después de que las varillas se tribocargan, y los diferentes casos dan fuerzas repulsivas y atractivas.
  • Vídeo que demuestra la carga triboeléctrica con un peine de plástico frotado con un paño de algodón que atrae pequeños trozos de papel.
  • Vídeo sobre carga triboeléctrica de Khan Academy . En él se analiza el modelo de diferencia de potencial de contacto, utilizando el término afinidad electrónica , que tiene el mismo significado que función de trabajo .
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