Efect triboelectric

Efectul triboelectric este un fenomen electric care constă în transferul de sarcini electrice și, prin urmare, în generarea unei tensiuni , între diferite materiale (dintre care cel puțin unul este izolant ) atunci când sunt frecate împreună. Cuvântul care descrie fenomenul derivă din tribosul grecesc , care înseamnă tocmai frecarea (din care derivă și tribologia : studiul fenomenelor de frecare, triboluminescența : emisia de lumină a unor materiale prin frecare). Chihlimbarul , de exemplu, poate deveni încărcat electric în acest fel și poate atrage corpuri ușoare. Această proprietate era cunoscută din cele mai vechi timpuri ( Thales din Milet secolul VI î.Hr. , Teofrast din Heresus , Pliniu cel Bătrân ) și a dus la nașterea cuvântului „electricitate”, de la numele grecesc de chihlimbar: electron .

Conform teoremei lui Bohr-Van Leeuwen , efectul triboelectric nu poate fi explicat prin intermediul fizicii clasice.

Serie triboelectrică

Diverse materiale sunt listate în tabelul din dreapta pe baza polarității și intensității sarcinii dobândite. Un material din partea de sus a mesei tinde să elibereze electroni (și să devină încărcați pozitiv). Cei din apropierea fundului tind să accepte electroni și să devină încărcați negativ. De exemplu, punând nylonul și teflonul în contact, nailonul se va încărca pozitiv și teflonul negativ. Dar dacă nailonul este frecat pe piele, acesta va fi încărcat, într-un mod mai slab, negativ. Cu cât este mai mare distanța în tabel, cu atât este mai mare intensitatea sarcinii generate. Tabelul este orientativ: alte surse îl raportează cu ușoare variații. Polaritatea și intensitatea sarcinii generate depind nu numai de materiale, ci și de alți factori, cum ar fi:

prelucrarea suprafeței
lățimea suprafețelor
presiunea de contact
intensitatea frecării
condiții de mediu (cum ar fi umiditatea )
prezența contaminanților sau a oxidanților
viteza cu care suprafețele de contact se îndepărtează

și, probabil, din alte cauze încă necunoscute.

Descrierea fenomenului

Formarea sarcinilor electrostatice nu necesită neapărat frecarea. În realitate, transferul de electroni dintr-un material în altul are loc și cu un contact simplu. De exemplu, atunci când derulați banda adezivă (celuloză). Nu există frecare aici. Banda de bandă adezivă este în contact cu stratul adeziv. Când derulează banda, aceasta trage banda de celuloză de lipici (care erau în contact bun cu banda înfășurată). În detașare, electronii sunt transferați din lipici pe bandă: lipiciul este încărcat pozitiv, banda subiacentă negativ. Potențialele electrice generate sunt de ordinul zecilor de kV.
Efecte triboelectrice pot apărea și între solide și lichide sau gaze.

Efecte microscopice

Punerea în contact a două suprafețe determină un fenomen numit aderență : legături chimice se formează la punctele de contact. Prin puncte de contact se înțelege punctele în care distanța dintre atomii celor două materiale diferite este de ordinul câtorva Å . În general vorbind, acestea sunt procente mici din suprafețele învecinate. În aceste puncte de interacțiune dintre cele două materiale, electronii sunt legați de atomii lor respectivi cu energii diferite și pot trece de la atomii unui material în care energia legăturii este mai mică decât cea în care este mai mare. Energia de legare pentru a extrage un electron este caracterizată de funcția de lucru .
Materialele care dobândesc electroni (sarcină elementară negativă) sunt încărcate negativ, în timp ce cele care renunță la electroni sunt încărcate pozitiv. Dacă materialele sunt conductive, va exista o redistribuire uniformă a electronilor într-un timp caracteristic (numit timp de relaxare ); în caz contrar, sarcina electrică va rămâne localizată în punctele în care a avut loc schimbul, cu un efect triboelectric mai accentuat. Frecarea nu face altceva decât să mărească, în timp, punctele de contact dintre suprafețe și, prin urmare, să înmulțească fenomenul. Trebuie remarcat faptul că în contact poate avea loc și schimbul de ioni sau fragmente de molecule întregi și că la nivel microscopic există aspecte ale fenomenului similare cu fricțiunea . În momentul detașării, din cauza câmpului electric puternic prezent, apar fenomene de descărcare electrică care duc la încălzire ( fenomene piroelectrice ) și revenirea parțială a electronilor schimbați la materialul original (în engleză: c harge backflow ).

Efecte macroscopice

Descărcarea electrică mică care apare (în special atunci când umiditatea din aer este scăzută) după mersul pe un covor sintetic și atingerea mânerului ușii este o experiență obișnuită. Dacă covorul este din nailon și tălpile pantofilor sunt din cauciuc, contactul dintre pantofi și covor creează un transfer de electroni de la covor la pantofi lăsând covorul încărcat pozitiv și tălpile pantofului încărcate negativ. Ambele materiale sunt ( izolatoare ) și, prin urmare, taxele rămân localizate. Prin inducție (sau influență) electrostatică între pantofi și corpul uman ( conductor ) există o separare a sarcinilor: picioarele sunt încărcate pozitiv și partea superioară a corpului, cum ar fi mâinile, este încărcată negativ. Când mâna se apropie de mânerul ușii, sarcina negativă se mișcă rapid (timpii sunt de ordinul unei microsecunde) spre aceasta, producând, într-o versiune redusă, un proces similar cu formarea unui fulger . Trebuie remarcat faptul că tensiunile statice generate în acest mod dacă mai puțin de aproximativ 3500 Volți nu sunt resimțite de o persoană, dar pot deteriora computerul dacă nu sunt protejate în mod adecvat.

Triboelectricitatea în comerț și industrie

Circuitele integrate utilizate în dispozitivele electronice moderne sunt foarte sensibile la descărcările electrice (spre deosebire de vechile echipamente din supapele termionice ). Problemele care pot rezulta variază de la defecțiuni temporare cu pierderi de date, până la daune permanente sau latente.
Tocmai din acest motiv nu mai este posibilă comercializarea ( marcajul CE ) a dispozitivelor care nu respectă anumite reglementări specifice (testul EMC și în mod specific: testul de descărcare electrostatică ESD ) care garantează o anumită imunitate la aceste perturbări.

Problema este relevantă și în industria de fabricație a semiconductorilor (în camere curate ), deoarece electricitatea statică creează aderența impurităților în timpul etapelor critice ale procesării semiconductorilor, cu o scădere a eficienței producției.
Chiar și industria care construiește echipamente electronice trebuie să creeze zone protejate corespunzător de sarcinile electrostatice în care are loc manipularea și asamblarea componentelor deosebit de delicate. Efectul triboelectric este, de asemenea, important pentru industriile care se ocupă cu materiale inflamabile și explozive, unde formarea de sarcini electrostatice poate avea efecte dezastruoase.

Generatoare triboelectrice

Triboelectricitatea a fost folosită în trecut pentru a genera tensiuni ridicate. Trebuie amintit:

Fizicianul german Otto Von Guericke ( 1602 - 1686 ). În 1660 a creat prima mașină electrostatică: era o sferă de sulf care se rotea și, când era frecată, genera electricitate.
Fizicienii Francis Hauksbee ( 1666 - 1713 ) și Johann Heinrich Winkler ( 1703 - 1770 ). În 1706 au dezvoltat o mașină electrostatică cu o sferă de sticlă.
Jesse Ramsden ( 1735 - 1800 ). Autor al unei mașini electrostatice utilizate pe scară largă.

Bibliografie

R. Paul Clayton, Compatibilitate electromagnetică , Hoepli, Milano, 1995, ( ISBN 88-203-2210-2 )

Elemente conexe

linkuri externe

Documentație privind electricitatea statică și problemele sale , pe esda.org . Adus la 19 martie 2005 (arhivat din original la 16 martie 2005) .
Triboelectricity , pe amasci.com .
Exemple de triboelectricitate , pe ece.rochester.edu .
(EN) Formule pentru încărcare electrostatică - Seria triboelectrică de pe AlphaLab, Inc. Adus la 16 iunie 2021 (Arhivat din original la 12 aprilie 2013) .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica