A maioria das crianças aprende sobre o efeito triboelétrico bem antes de se familiarizarem com o termo. Se você já esfregou um balão no cabelo e testemunhou o efeito do eletricidade estática - puxando seu cabelo em direção ao balão e sendo potencialmente forte o suficiente para prender o balão em sua cabeça - então você entende os fundamentos do efeito triboelétrico.
É basicamente uma forma de "eletrificação de contato", onde a carga elétrica, na forma de elétrons, se move de um objeto para outro, levando a um acúmulo de carga negativa em um objeto e um déficit no outro. Um balão de borracha e um cabelo humano são apenas dois exemplos de objetos que mostram esse fenômeno bastante comum.
Aprender os detalhes sobre o efeito triboelétrico, como ele funciona, o que o causa e o que você pode descobrir no a série triboelétrica ajuda a entender e prever o que acontecerá em situações que envolvem a transferência de energia elétrica cobrar.
Qual é o efeito triboelétrico?
O efeito triboelétrico é conhecido pelos humanos desde pelo menos 600 a.C., quando Thales, um grego o filósofo descobriu que você poderia esfregar o âmbar e fazê-lo atrair fiapos, papel e outros pequenos e leves objetos. O termo efeito triboelétrico vem do grego para “fricção” e “âmbar”, devido a essa história da descoberta do efeito. Claro, os cientistas hoje têm uma compreensão muito melhor das causas do efeito triboelétrico e da natureza da carga elétrica em geral.
O efeito triboelétrico é chamado de eletrificação de contato porque é o processo de objetos que fazem contato - especialmente esfregando contra cada outro, como o balão de borracha contra o cabelo humano ou seus pés em um tapete, que leva ao acúmulo de carga superficial que cria o efeito.
A carga elétrica - na forma de elétrons, os componentes negativos dos átomos que carregam carga - é transferida de um objeto para outro durante o processo de fricção. A transferência de carga que ocorre significa que um objeto ganha elétrons e, portanto, uma carga líquida negativa, enquanto o outro perde elétrons e, portanto, termina com uma carga líquida positiva.
Este acúmulo de elétrons deixa uma carga líquida em ambos os objetos e, a partir deste ponto, eles se comportam como quaisquer dois objetos: cargas semelhantes se repelirão, e cargas diferentes (como as duas usadas para criar o efeito) atrairão uma outro. A extensão em que isso acontece depende dos próprios materiais e, em última análise, das cargas totais em cada objeto depois que a fricção ocorre.
Causas do Efeito Triboelétrico
Em última análise, o fenômeno da triboeletricidade é causado pelo atrito: quando um material é esfregado contra outro, os elétrons são efetivamente "retirados" de um objeto, e o outro acaba com uma abundância de energia elétrica cobrar.
No entanto, para realmente entender o fenômeno e suas causas, você precisa pensar sobre a estrutura dos átomos. Um núcleo pequeno e densamente compactado contém prótons carregados positivamente e nêutrons livres de carga, com um "Nuvem" de elétrons carregados negativamente ao seu redor, geralmente equilibrando a carga positiva do núcleo. O atrito leva à transferência de carga, retirando alguns dos elétrons carregados negativamente de um material.
O grau em que um material obterá elétrons de outro material é chamado de afinidade de elétron ou afinidade de carga. Se os átomos de um material têm uma afinidade eletrônica maior do que o outro material, então ele tenderá a levar elétrons (e assim acumulam uma carga negativa) do outro material (que então tem um déficit de elétrons e desenvolve uma carga positiva líquida). Assim como um balão de borracha e cabelo humano, pés e um tapete e âmbar e um pano, outro exemplo clássico do fenômeno é fornecido pelo teflon e pela pele de coelho.
Em suma, a quantidade de materiais de triboeletricidade exibida difere para diferentes materiais, como resultado de seu elétron específico ou afinidade de carga. É por isso que os cientistas criaram uma lista de materiais classificados por sua tendência de ganhar ou perder elétrons, chamada de série triboelétrica.
The Triboelectric Series
A série triboelétrica é uma lista de objetos classificados por sua propensão para adquirir uma carga líquida positiva ou uma carga líquida negativa quando colocados em contato uns com os outros.
Materiais em direção ao topo da série triboelétrica são mais propensos a ceder elétrons em contato (e desenvolver uma carga líquida positiva), e os materiais na parte inferior são mais propensos a ganhar elétrons (e assim negativos cobrar).
Em condições ideais - se tudo estiver seco - objetos colocados mais altos na série triboelétrica tenderão a desistir elétrons para itens mais abaixo na lista, e eles ficarão carregados positivamente. Quanto maior a distância entre dois materiais diferentes na série triboelétrica, maior será o efeito triboelétrico quando eles são friccionados.
Triboelectric Series Chart
Você pode encontrar um ótimo exemplo de gráfico de série triboelétrica aqui, que foi baseado em testes realizados por Bill Lee em AlphaLab, inc. Esta tabela fornece detalhes sobre como os materiais foram testados, bem como as limitações das medições.
Os valores da tabela estão em nC / J, que significa nanocoulombs por joule, com um Coulomb sendo a unidade padrão de carga e Joules sendo a unidade para a energia associada ao atrito. O sinal positivo ou negativo representa a probabilidade de pegar cargas positivas ou negativas, respectivamente.
Assim, por exemplo, a borracha de látex capta 105 nC de carga por joule de energia investida no processo de fricção, e o sinal menos indica que ela capta uma carga líquida negativa. Por outro lado, a pele seca tem um valor de +30 nC / J, o que significa que vai perder elétrons, então acaba com uma carga positiva de 30 nC por Joule de energia que vai para o processo de fricção.
Finalmente, você notará que a maioria dos diferentes materiais na lista (por exemplo, borracha de silicone e PVC) são isolantes, portanto, não podem transportar corrente elétrica em situações normais. Este é um lembrete importante de que a triboeletricidade funciona de maneira completamente diferente da eletricidade comum e, geralmente, os isoladores são melhorar do que os condutores em manter este tipo de carga estática.
Geradores Van De Graaff
Os geradores Van de Graaff são um conhecido equipamento que faz uso do efeito triboelétrico. para produzir um acúmulo ou armazenamento de carga que você pode medir como uma diferença potencial usando um voltímetro.
Na maioria dos geradores Van de Graaff, uma correia de borracha é esfregada contra um “pente” metálico na parte inferior, que retira elétrons da correia e a deixa com uma carga líquida positiva. Este é então captado por um pente correspondente no topo para espalhar a carga para a cúpula metálica no topo do gerador.
Claro, os elétrons são os portadores de carga móvel, então a correia perde elétrons na parte inferior e, em seguida, pega elétrons do pente e da cúpula no topo, deixando-os com um déficit de elétrons e, portanto, uma rede positiva cobrar.
A enorme diferença de potencial criada por este processo pode exceder 100.000 volts e é frequentemente usada em uma exibição de sala de aula clássica, onde alguém em contato com o gerador fica com o cabelo em pé fim. Isso ocorre porque todos os fios de cabelo ganham uma carga correspondente (positiva) e, portanto, começam a se repelir.