La mayoría de los niños aprenden sobre efecto triboeléctrico mucho antes de que se familiaricen con el término. Si alguna vez se frotó el cabello con un globo y fue testigo del efecto del electricidad estática - tirando de su cabello hacia el globo y potencialmente siendo lo suficientemente fuerte como para pegar el globo a su cabeza - entonces comprende los conceptos básicos del efecto triboeléctrico.
Es básicamente una forma de "electrificación por contacto", donde la carga eléctrica, en forma de electrones, se mueve de un objeto a otro, lo que lleva a una acumulación de carga negativa en un objeto y un déficit en el otro. Un globo de goma y un cabello humano son solo dos ejemplos de objetos que muestran este fenómeno bastante común.
Conocer los detalles sobre el efecto triboeléctrico, cómo funciona, qué lo causa y qué puede averiguar en el La serie triboeléctrica lo ayuda a comprender y predecir lo que sucederá en situaciones que involucren la transferencia de electricidad. cargo.
¿Qué es el efecto triboeléctrico?
El efecto triboeléctrico ha sido conocido por los humanos desde al menos 600 a.C., cuando Tales, un griego El filósofo descubrió que se podía frotar el ámbar y hacer que atrajera pelusa, papel y otros objetos pequeños y ligeros. objetos. El término efecto triboeléctrico proviene del griego para "frotar" y "ámbar", debido a esta historia del descubrimiento del efecto. Por supuesto, los científicos de hoy tienen una mejor comprensión de las causas del efecto triboeléctrico y la naturaleza de la carga eléctrica en general.
El efecto triboeléctrico se llama electrificación por contacto porque es el proceso en el que los objetos hacen contacto, especialmente cuando se frotan contra cada uno. otro, como el globo de goma contra el cabello humano o sus pies sobre una alfombra, que conduce a la acumulación de carga superficial que crea la efecto.
La carga eléctrica, en forma de electrones, los componentes portadores de carga negativa de los átomos, se transfiere de un objeto a otro durante el proceso de frotamiento. La transferencia de carga que tiene lugar significa que un objeto gana electrones y, por lo tanto, una carga neta negativa, mientras que el otro pierde electrones y, por lo tanto, termina con una carga neta positiva.
Esta acumulación de electrones deja una carga neta en ambos objetos y, a partir de este punto, se comportan como dos objetos cargados. Objetos: las cargas iguales se repelerán entre sí, y las cargas distintas (como las dos utilizadas para crear el efecto) atraerán una otro. La medida en que esto suceda depende de los materiales mismos y, en última instancia, de las cargas totales de cada objeto después de que se produce el frotamiento.
Causas del efecto triboeléctrico
En última instancia, el fenómeno de la triboelectricidad es causado por la fricción: cuando un material se frota contra otro, los electrones son efectivamente "despojados" de un objeto, y el otro termina con una abundancia de energía eléctrica cargo.
Sin embargo, para comprender verdaderamente el fenómeno y sus causas, es necesario pensar en la estructura de los átomos. Un núcleo pequeño y densamente empacado contiene protones cargados positivamente y neutrones libres de carga, con un "Nube" de electrones cargados negativamente a su alrededor, generalmente equilibrando la carga positiva de la núcleo. La fricción conduce a la transferencia de carga, tomando algunos de los electrones cargados negativamente de un material.
El grado en el que un material tomará electrones de otro material se llama afinidad electronica o afinidad de carga. Si los átomos de un material tienen una mayor afinidad electrónica que el otro material, tenderá a llevar electrones (y por lo tanto acumulan una carga negativa) del otro material (que luego tiene un déficit de electrones y desarrolla una carga neta positiva). Además de un globo de goma y cabello humano, pies y una alfombra y ámbar y una tela, otro ejemplo clásico del fenómeno lo proporciona el teflón y la piel de conejo.
En resumen, la cantidad de materiales de triboelectricidad que exhiben difiere para diferentes materiales, como resultado de su afinidad específica de electrones o cargas. Es por eso que los científicos han creado una lista de materiales clasificados por su tendencia a ganar o perder electrones, llamada serie triboeléctrica.
La Serie Triboeléctrica
La serie triboeléctrica es una lista de objetos clasificados por su propensión a adquirir una carga neta positiva o una carga neta negativa cuando se ponen en contacto entre sí.
Los materiales hacia la parte superior de la serie triboeléctrica tienen más probabilidades de ceder electrones al contacto (y desarrollar una carga neta positiva), y los materiales hacia la parte inferior tienen más probabilidades de ganar electrones (y por lo tanto negativos cargo).
En condiciones ideales, si todo está seco, los objetos colocados más arriba en la serie triboeléctrica tenderán a darse por vencido electrones a elementos más abajo en la lista, y se cargarán positivamente. Cuanto mayor sea la distancia entre dos materiales diferentes de la serie triboeléctrica, mayor será el efecto triboeléctrico cuando se froten entre sí.
Gráfico de la serie triboeléctrica
Puede encontrar un gran ejemplo de un gráfico de series triboeléctricas aquí, que se basó en pruebas realizadas por Bill Lee en AlphaLab, inc. Esta tabla brinda detalles sobre cómo se probaron los materiales, así como las limitaciones de las medidas.
Los valores de la tabla están en nC / J, que significa nanocoulombs por joule, siendo Coulomb la unidad estándar de carga y Joules la unidad de energía asociada con la fricción. El signo positivo o negativo representa su probabilidad de recoger cargas positivas o negativas, respectivamente.
Entonces, por ejemplo, el caucho de látex recoge 105 nC de carga por julio de energía invertida en el proceso de frotamiento, y el signo menos indica que recoge una carga neta negativa. Por otro lado, la piel seca tiene un valor de +30 nC / J, lo que significa que perderá electrones, por lo que termina con una carga positiva de 30 nC por Joule de energía que entra en el proceso de frotamiento.
Por último, observará que la mayoría de los diferentes materiales de la lista (por ejemplo, caucho de silicona y PVC) son aislantes, por lo que no pueden transportar corriente eléctrica en situaciones normales. Este es un recordatorio importante de que la triboelectricidad funciona de manera completamente diferente a la electricidad ordinaria y, en general, los aisladores son mejor que los conductores para sostener este tipo de carga estática.
Generadores Van De Graaff
Los generadores Van de Graaff son un equipo conocido que hace uso del efecto triboeléctrico para producir una acumulación o almacenamiento de carga que se puede medir como una diferencia de potencial utilizando un voltímetro.
En la mayoría de los generadores Van de Graaff, un cinturón de goma se frota contra un "peine" metálico en la parte inferior, que extrae electrones del cinturón y lo deja con una carga neta positiva. Esto luego es recogido por un peine a juego en la parte superior para extender la carga a la cúpula metálica en la parte superior del generador.
Por supuesto, los electrones son los portadores de carga móviles, por lo que el cinturón pierde electrones en la parte inferior y luego recoge electrones del peine y la cúpula en la parte superior, dejándolos con un déficit de electrones y por lo tanto un positivo neto cargo.
La enorme diferencia de potencial creada por este proceso puede superar los 100.000 voltios y se utiliza a menudo en una exhibición clásica en el aula donde alguien en contacto con el generador tiene sus pelos puestos final. Esto se debe a que todas las hebras de cabello obtienen una carga coincidente (positiva) y, por lo tanto, comienzan a repelerse entre sí.