Triboelectricidad

La triboelectricidad (el griego tribein que significa "frotar" y Elektron que significa "ámbar" y es la raíz de la palabra electricidad ) es el fenómeno electrostático creado por el contacto de dos materiales de diferente naturaleza. Ocurre cuando parte de los electrones de la superficie de contacto de uno de los dos materiales se transfiere al otro y esta transferencia permanece durante la separación. El efecto triboeléctrico se puede aumentar proporcionando energía mecánica frotando los materiales entre sí (fricción).

Se le conoce más comúnmente como "electricidad estática" y se puede reproducir fácilmente en casa frotando una regla de plástico con un paño de cocina. Luego nos acercamos a la regla de su propio cabello o pequeños trozos de papel, que vienen a ceñirse a la regla.

Transferencia de cargos

La cantidad de carga eléctrica transferida depende de:

la naturaleza de los dos materiales (que también define su signo relativo);
de la superficie de contacto.

Para el primero de estos parámetros, definimos series triboeléctricas , es decir listas ordenadas de materiales: la posición relativa define el signo de las cargas , y la "distancia" dentro de la lista da una idea de la importancia del intercambio. .

Según el segundo parámetro, si al menos uno de los dos materiales es un aislante , se pueden utilizar repetidamente:

ya sea frotando los dos materiales juntos;
o "recirculando" una de las superficies (disco giratorio, correa, etc.).

Consecuencias y consecuencias

Una vez creadas las cargas (o, más exactamente, separadas), todo depende de la configuración:

o los dos materiales son conductores , con un camino conductor que los une: las cargas "dan vueltas", se neutralizan y las cosas se detienen ahí;
o al menos uno de los materiales es aislante, en cuyo caso las cargas se rigen por las leyes de la electricidad estática ;
o, finalmente, casos intermedios, los dos materiales son conductores, pero aislados: nos encontramos con el caso anterior, salvo que no hay nada más que esperar de un rozamiento de "reutilización de superficies", siendo las "antiguas» cargas neutralizadas durante la producción de la «noticia». Por tanto, la cantidad total de cargas es mucho menor.

Caso de un aislante en el aire.

En este caso (que es en definitiva el caso más “clásico”), la tensión alcanzada depende de los siguientes parámetros:

La resistividad : no existe un aislante perfecto. Tarde o temprano, llegamos a un voltaje U tal que la tasa de creación de carga por unidad de tiempo (en otras palabras, la corriente ...) es igual a la relación U / R, donde R es la resistencia eléctrica (en ohmios) del objeto cargado con respecto a un potencial de referencia. La resistividad depende, entre otras cosas:
- temperatura (una llama es un conductor, etc.),
- la posible deposición de sustancias más conductoras, en la superficie o penetrando en el espesor (por ejemplo, contaminación);
La capacidad : el objeto cargado tiene una capacidad en comparación con el "resto del universo". Cuanto mayor sea la capacitancia de este capacitor , más cargas se necesitarán para ver el aumento de voltaje, de acuerdo con la fórmula U = Q / C, donde Q es la carga (en culombios ), C la capacitancia (en faradios ) y U voltaje (en voltios )
La forma : de acuerdo con las leyes de la electricidad estática , para un potencial dado, el campo depende del radio de curvatura geométrico local. Más concretamente, el campo es máximo en la vecindad de un punto. Si es suficiente ionizar el aire, tendremos:
- en ausencia de una ruta de descarga de corta distancia, descarga por el efecto Corona (o Corona ),
- o una chispa;
la triboelectricidad : funciona en ambos sentidos. El campo, aunque no sea suficiente para causar ionización, será suficiente para poner en movimiento el polvo y las moléculas polares (o polarizables por un campo), creando un "viento eléctrico". Este polvo y moléculas, en contacto con el material cargado, recibirán algunas de estas cargas y las enviarán lejos (incluso si las cargas no son inicialmente generadas por tribo-electricidad; este es el principio operativo de los ionizadores).

Dependiendo de estos parámetros y su evolución en el tiempo, puede:

permanecen intactos, desafiando siglos y milenios, determinadas configuraciones constituyendo electretos , particularmente cuando la carga está " enquistada " en el espesor del material;
disiparse, en unos días o en unos milisegundos: es el sueño de todos los que temen el siguiente caso, y es el objetivo de todo un equipamiento industrial (pulseras "conductoras", suelos y muebles disipadores, humidificadores , ionizadores , etc.);
disiparse repentinamente, en unos pocos nanosegundos, al entrar en contacto con un conductor que cierra el circuito (con o sin chispa): esta es la temida descarga electrostática ( también conocida como DES, o ESD en inglés):
- es esto lo que nos regala "castañas" memorables cuando salimos del coche en un día fino y seco (una llanta aislante seca acumula hectáreas de superficie de contacto sobre una carretera aislante seca, mientras que la atmósfera seca no disipa las cargas acumuladas. en la carrocería),
- la "castaña", la compartirás también con el gato que ha venido a mostrarte cariño, que comienza con una sesión de frotamiento de pelo especialmente optimizado desde el punto de vista triboeléctrico, para terminar con la primera lamida rasposa (la el choque interfiere en la espontaneidad de sus impulsos posteriores; como dice la conocida historia: " el gato es buen conductor de la electricidad, pero no le gusta mucho "),
- podemos pasar de la emoción a un simple espectáculo quitando, en la oscuridad, una prenda pesada (lana o, mejor, material 100% sintético),
- las consecuencias pueden ser más graves, por ejemplo, mal funcionamiento o avería de dispositivos electrónicos . En algunos casos, una descarga electrostática puede incluso matar ...

Algunas cifras

50 V	:	algunos componentes electrónicos ultrasensibles se destruyen al entrar en contacto con un ser humano cargado bajo este voltaje, o incluso menos
1 kV	:	el mismo humano, cargado bajo esta tensión, sentirá (probablemente) la descarga; Descarga que destruirá la mayoría de los componentes electrónicos desprotegidos (por componentes de protección integrados o externos)
15 kV	:	el voltaje máximo que puede alcanzar el ser humano “ estandarizado ” para el “ marcado CE ”; también es el límite de inmunidad garantizado para ciertos componentes con protección integrada
50 kV	:	la tensión máxima que puede alcanzar un gato especialmente peludo; es cierto que la capacidad de carga es menor ...
300 kV	:	el orden de magnitud del voltaje máximo que un helicóptero puede alcanzar con respecto al suelo al mezclar el aire aislante con un rotor de materiales aislantes compuestos
1 MV	:	el orden de magnitud de las tensiones observadas en los emplazamientos industriales (correas aislantes sobre poleas aislantes, materiales en polvo que fluyen en tuberías o tolvas de materiales aislantes, etc. )
10 MV y más	:	voltaje que se puede obtener en los terminales de un generador Van de Graaff , utilizado para alimentar aceleradores lineales (LINAC)

Consecuencias destructivas

Estos pocos ejemplos pretenden señalar (con cautela…) el riesgo industrial que puede constituir la carga estática por efecto triboeléctrico (dejamos de lado los demás procesos de carga).

Automotriz :
- en un nuevo modelo de automóvil, la gasolina (aislante) que circulaba en la manguera (tubería plástica, aislante) para alimentar el motor, aprovechaba esto para crear cargas por triboelectricidad. Estas cargas lograron pasar a través de la tubería, para descargar repentinamente en un cable sensor ABS . La computadora ABS, como “principio de precaución”, se declaró averiada. Sin embargo, esta falsa avería llevó a la modificación de varios cientos de miles de automóviles ...
- Al agregar combustible en una estación de servicio, la acumulación de cargas al frotar una prenda en el asiento de un automóvil puede hacer que el combustible de la pistola se encienda por una descarga eléctrica.
Aceites : en los gigantescos tanques de almacenamiento de combustible de los " operarios de bombas mayoristas ", las diferentes entregas (la unidad de medida, es el tren , incluso el camión cisterna ) se mezclan muy poco y constituyen una especie de "burbujas". Burbujas que se mueven, que cargan ... y se descargan, a veces de repente, al contacto con una pared u otra "burbuja". En principio, no hay ninguna consecuencia, incluso cuando las chispas tienen lugar en la superficie, porque se hace un esfuerzo para eliminar el oxígeno de estos tanques. Pero si, por accidente, negligencia o sabotaje, la inertización del tanque no se ha llevado a cabo de manera efectiva, puede producirse una explosión.
Electricidad : Un operador de cable, para que sus cables de alto voltaje con aislamiento en seco de 25 kV fueran confiables, tuvo que sobredimensionar significativamente el grosor del aislamiento. Un análisis mostró que, durante la extrusión del aislamiento sobre el conductor, el efecto triboeléctrico creaba "bolsillos" de cargas en el espesor del aislamiento, llegando a pretensarlo aquí y allá. Y por lo tanto provocando la mayor cantidad de puntos débiles (riesgo de avería). Con una fase adicional de neutralización de las cargas, se podría reducir el diámetro del cable, lo que contribuye a eliminar gradualmente los pilones y líneas aéreas del paisaje.
Industria : En una fábrica de producto en polvo, la estación de trabajo final consistía en una gran tolva de plástico, donde caía el producto a empaquetar, una pila de bolsas y un hombre encargado de llenarlas debajo de la tolva. A veces, el polvo no fluía bien, se "atascaba" en la tolva (la gente pensaba que se debía a la humedad). Un día particularmente seco, el flujo se detuvo: varias toneladas de producto en polvo suspendidas entre el cielo y la tierra. Queriendo hacerlo bien, el operador quería "perforar la cúpula de polvo húmedo" con una barra de hierro. La descarga electrostática resultante lo mató. Durante la investigación, mientras que el flujo era normal, se midió una diferencia de potencial entre el material en polvo y el suelo por encima de los megavoltios.
Aeronáutica : En tiempos heroicos, algunos de los primeros ejercicios de rescate marítimo en helicóptero terminaron muy mal para el voluntario que hacía de náufrago. Muy mal. Es desde ese momento que antes de ponerlo "al alcance del náufrago", el piloto del helicóptero empapa su cable en el agua. Esta es también la razón por la que los buceadores "caídos" en helicóptero siempre saltan del cable antes de llegar al agua. Los aviones y helicópteros también incluyen tipos de puntos (en la extensión del ascensor o superficies de control), para disipar mejor las cargas acumuladas durante el vuelo.
Astronáutica : en la década de 1960, en EE.UU., durante el montaje (en sala blanca ) de la tercera etapa de un lanzador Delta , los operadores colocaron una funda protectora de nailon antipolvo. Durante el deslizamiento, se ha acumulado una gran carga sobre la lona. La descarga se produjo en el squib por disparar al suelo, provocando más de una decena de muertos.
Bancos : en un prototipo de máquina expendedora de billetes, los billetes, cargados, a veces salían a una tasa de "dos por el precio de uno".

Notas y referencias

[video] Los peligros de la electricidad estática en YouTube
(in) NASA ASTRONAUTICS AERONAUTICS AND 1964 (Chronology on Science, Technology, and Policy) ( leer en línea ) , p. 135

Ver también

enlaces externos

Triboelectricidad en www.larousse.fr