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La electricidad estática es un desequilibrio de cargas eléctricas dentro o sobre la superficie de un material. La carga permanece hasta que puede ser evacuada por una corriente eléctrica o una descarga eléctrica . La palabra "estática" se utiliza para diferenciarla de la electricidad de corriente , en la que una carga eléctrica fluye a través de un conductor eléctrico . [1]
Se puede crear una carga eléctrica estática cuando dos superficies entran en contacto o se deslizan una contra la otra y luego se separan. Los efectos de la electricidad estática son familiares para la mayoría de las personas porque pueden sentir, oír e incluso ver chispas si el exceso de carga se neutraliza cuando se acerca a un conductor eléctrico (por ejemplo, una ruta a tierra) o una región con un exceso de carga de polaridad opuesta (positiva o negativa). El fenómeno conocido de una descarga estática, más específicamente, una descarga electrostática , es causado por la neutralización de una carga.
Los materiales están formados por átomos que normalmente son eléctricamente neutros porque contienen cantidades iguales de cargas positivas ( protones en sus núcleos ) y cargas negativas ( electrones en " capas " que rodean el núcleo). El fenómeno de la electricidad estática requiere una separación de cargas positivas y negativas. Cuando dos materiales están en contacto, los electrones pueden moverse de un material al otro, lo que deja un exceso de carga positiva en un material y una carga negativa igual en el otro. Cuando los materiales están separados, mantienen este desequilibrio de carga. También es posible que se transfieran iones .
Los electrones o iones pueden intercambiarse entre materiales al entrar en contacto o cuando se deslizan uno contra el otro, lo que se conoce como efecto triboeléctrico y da como resultado que un material se cargue positivamente y el otro se cargue negativamente. El efecto triboeléctrico es la principal causa de la electricidad estática, como se observa en la vida cotidiana y en las demostraciones científicas comunes de la escuela secundaria que implican frotar diferentes materiales entre sí (por ejemplo, piel contra una varilla de acrílico). La separación de carga inducida por el contacto hace que el cabello se erice y causa " adherencia estática " (por ejemplo, un globo frotado contra el cabello se carga negativamente; cuando está cerca de una pared, el globo cargado es atraído por partículas cargadas positivamente en la pared y puede "adherirse" a él, suspendido contra la gravedad).
La tensión mecánica aplicada genera una separación de carga en muchos tipos de cristales y moléculas cerámicas .
El calentamiento genera una separación de carga en los átomos o moléculas de ciertos materiales. Todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos. Las propiedades atómicas o moleculares de la respuesta al calor y a la presión están estrechamente relacionadas.
Un objeto cargado que se acerca a un objeto conductor eléctricamente neutro provoca una separación de carga dentro del objeto neutro. Esto se llama inducción electrostática . Las cargas de la misma polaridad se repelen y se mueven hacia el lado del objeto alejado de la carga externa, y las cargas de polaridad opuesta se atraen y se mueven hacia el lado que mira hacia la carga. Como la fuerza debida a la interacción de las cargas eléctricas disminuye rápidamente con el aumento de la distancia, el efecto de las cargas más cercanas (polaridad opuesta) es mayor y los dos objetos sienten una fuerza de atracción. La conexión a tierra cuidadosa de una parte de un objeto puede agregar o quitar electrones de forma permanente, dejando el objeto con una carga global y permanente.
Eliminar o prevenir la acumulación de carga estática puede ser tan sencillo como abrir una ventana o utilizar un humidificador para aumentar el contenido de humedad del aire y hacer que la atmósfera sea más conductora. Los ionizadores de aire pueden realizar la misma tarea. [2]
Los artículos que son particularmente sensibles a las descargas estáticas pueden tratarse con la aplicación de un agente antiestático , que agrega una capa superficial conductora que garantiza que cualquier exceso de carga se distribuya de manera uniforme. Los suavizantes de telas y las toallitas para secadora que se usan en las lavadoras y secadoras de ropa son un ejemplo de un agente antiestático que se usa para prevenir y eliminar la electricidad estática . [3]
Muchos dispositivos semiconductores utilizados en electrónica son especialmente sensibles a las descargas estáticas. Para proteger estos componentes se suelen utilizar bolsas antiestáticas conductoras . Las personas que trabajan en circuitos que contienen estos dispositivos suelen conectarse a tierra con una correa antiestática conductora . [4] [5]
En los entornos industriales, como las plantas de pintura o harina, así como en los hospitales, a veces se utilizan botas de seguridad antiestáticas para evitar la acumulación de carga estática debido al contacto con el suelo. Estos zapatos tienen suelas con buena conductividad. Los zapatos antiestáticos no deben confundirse con los zapatos aislantes, que proporcionan exactamente el beneficio opuesto: cierta protección contra descargas eléctricas graves de la tensión de la red eléctrica . [6]
En los conjuntos de cables médicos y los cables conductores, se genera ruido triboeléctrico aleatorio cuando los distintos conductores, el aislamiento y los rellenos se frotan entre sí a medida que el cable se flexiona durante el movimiento. El ruido generado dentro de un cable a menudo se denomina ruido de manipulación o ruido del cable, pero este tipo de señal no deseada se describe con mayor precisión como ruido triboeléctrico. Al medir señales de bajo nivel, el ruido en el cable o el alambre puede presentar un problema. Por ejemplo, el ruido en un ECG u otra señal médica puede dificultar o incluso imposibilitar un diagnóstico preciso. Mantener el ruido triboeléctrico en niveles aceptables requiere una selección, un diseño y un procesamiento cuidadosos de los materiales a medida que se fabrica el material del cable. [7]
La chispa asociada a la electricidad estática es causada por una descarga electrostática, o simplemente descarga estática, ya que el exceso de carga es neutralizado por un flujo de cargas desde o hacia el entorno.
La sensación de una descarga eléctrica es causada por la estimulación de los nervios a medida que la corriente fluye a través del cuerpo humano. La energía almacenada como electricidad estática en un objeto varía según el tamaño del objeto y su capacitancia , el voltaje al que está cargado y la constante dieléctrica del medio circundante. Para modelar el efecto de la descarga estática en dispositivos electrónicos sensibles, un ser humano se representa como un condensador de 100 picofaradios , cargado a un voltaje de 4.000 a 35.000 voltios. Al tocar un objeto, esta energía se descarga en menos de un microsegundo. [8] Si bien la energía total es pequeña, del orden de milijulios , aún puede dañar dispositivos electrónicos sensibles. Los objetos más grandes almacenarán más energía, lo que puede ser directamente peligroso para el contacto humano o que puede generar una chispa que pueda encender gases o polvos inflamables.
Los relámpagos son un ejemplo natural espectacular de descarga estática. Aunque los detalles no están claros y siguen siendo tema de debate, se cree que la separación inicial de cargas está asociada al contacto entre partículas de hielo dentro de las nubes de tormenta. En general, las acumulaciones significativas de carga solo pueden persistir en regiones de baja conductividad eléctrica (muy pocas cargas libres para moverse en los alrededores), por lo que el flujo de cargas neutralizantes a menudo resulta de átomos y moléculas neutrales en el aire que se desgarran para formar cargas positivas y negativas separadas, que viajan en direcciones opuestas como una corriente eléctrica, neutralizando la acumulación original de carga. La carga estática en el aire normalmente se descompone de esta manera a alrededor de 10.000 voltios por centímetro (10 kV/cm) dependiendo de la humedad. [9] La descarga sobrecalienta el aire circundante causando el destello brillante y produce una onda de choque que causa el sonido retumbante. Un rayo es simplemente una versión a mayor escala de las chispas que se ven en casos más domésticos de descarga estática. El destello se produce porque el aire en el canal de descarga se calienta a una temperatura tan alta que emite luz por incandescencia . El sonido del trueno es el resultado de la onda de choque que se crea cuando el aire sobrecalentado se expande.
Muchos dispositivos semiconductores utilizados en electrónica son muy sensibles a la presencia de electricidad estática y pueden resultar dañados por una descarga estática. El uso de una correa antiestática es obligatorio para los investigadores que manipulen nanodispositivos. Se pueden tomar precauciones adicionales quitándose los zapatos con suelas de goma gruesas y permaneciendo permanentemente sobre una base metálica.
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La descarga de electricidad estática puede crear graves riesgos en aquellas industrias que manejan sustancias inflamables, donde una pequeña chispa eléctrica podría encender mezclas explosivas. [10]
El movimiento fluido de sustancias finamente pulverizadas o fluidos de baja conductividad en tuberías o mediante agitación mecánica puede generar electricidad estática. [11] El flujo de gránulos de material como arena por un conducto de plástico puede transferir carga, que se puede medir utilizando un multímetro conectado a una lámina metálica que recubre el conducto a intervalos, y puede ser aproximadamente proporcional al flujo de partículas. [12] Las nubes de polvo de sustancias finamente pulverizadas pueden volverse combustibles o explosivas. Cuando hay una descarga estática en una nube de polvo o vapor, se han producido explosiones. Entre los principales incidentes industriales que han ocurrido debido a la descarga estática se encuentran la explosión de un silo de grano en el suroeste de Francia, una planta de pintura en Tailandia, una fábrica que fabrica molduras de fibra de vidrio en Canadá, una explosión de un tanque de almacenamiento en Glenpool , Oklahoma en 2003, y una operación de llenado de tanques portátiles y un parque de tanques en Des Moines , Iowa y Valley Center, Kansas en 2007. [13] [14] [15]
La capacidad de un fluido para retener una carga electrostática depende de su conductividad eléctrica. Cuando los fluidos de baja conductividad fluyen a través de tuberías o se agitan mecánicamente, se produce una separación de carga inducida por contacto llamada electrificación del flujo . [16] [17] Los fluidos que tienen baja conductividad eléctrica (por debajo de 50 picosiemens por metro) se denominan acumuladores. Los fluidos que tienen una conductividad superior a 50 pS/m se denominan no acumuladores. En los no acumuladores, las cargas se recombinan tan rápido como se separan y, por lo tanto, la acumulación de carga electrostática no es significativa. En la industria petroquímica , 50 pS/m es el valor mínimo recomendado de conductividad eléctrica para la eliminación adecuada de carga de un fluido.
Los querosenos pueden tener una conductividad que va desde menos de 1 picosiemens por metro hasta 20 pS/m. A modo de comparación, el agua desionizada tiene una conductividad de aproximadamente 10.000.000 pS/m o 10 μS/m. [18]
El aceite para transformadores forma parte del sistema de aislamiento eléctrico de los grandes transformadores de potencia y otros aparatos eléctricos. Para rellenar los aparatos de gran tamaño es necesario tomar precauciones contra la carga electrostática del fluido, que puede dañar el delicado aislamiento del transformador.
Un concepto importante para los fluidos aislantes es el tiempo de relajación estática. Es similar a la constante de tiempo τ (tau) de un circuito RC . Para los materiales aislantes, es la relación entre la constante dieléctrica estática dividida por la conductividad eléctrica del material. Para los fluidos de hidrocarburos, a veces se aproxima dividiendo el número 18 por la conductividad eléctrica del fluido. Por lo tanto, un fluido que tiene una conductividad eléctrica de 1 pS/m tiene un tiempo de relajación estimado de unos 18 segundos. El exceso de carga en un fluido se disipa casi por completo después de cuatro a cinco veces el tiempo de relajación, o 90 segundos para el fluido del ejemplo anterior.
La generación de carga aumenta a velocidades de fluido más altas y diámetros de tubería más grandes, y se vuelve bastante significativa en tuberías de 8 pulgadas (200 mm) o más. La generación de carga estática en estos sistemas se controla mejor limitando la velocidad del fluido. La norma británica BS PD CLC/TR 50404:2003 (anteriormente BS-5958-Parte 2) Código de práctica para el control de la electricidad estática no deseada prescribe límites de velocidad de flujo de la tubería. Debido a que el contenido de agua tiene un gran impacto en la constante dieléctrica de los fluidos, la velocidad recomendada para fluidos de hidrocarburos que contienen agua debe limitarse a 1 metro por segundo.
La conexión a tierra y la unión son las formas habituales de evitar la acumulación de carga. En el caso de fluidos con una conductividad eléctrica inferior a 10 pS/m, la conexión a tierra y la unión no son adecuadas para la disipación de carga, y pueden ser necesarios aditivos antiestáticos. [ cita requerida ]
El movimiento fluido de líquidos inflamables como la gasolina dentro de una tubería puede generar electricidad estática. Los líquidos no polares como la gasolina , el tolueno , el xileno , el diésel , el queroseno y los petróleos crudos ligeros exhiben una capacidad significativa para la acumulación y retención de carga durante el flujo de alta velocidad. Las descargas electrostáticas pueden encender el vapor de combustible. [19] Cuando la energía de descarga electrostática es lo suficientemente alta, puede encender una mezcla de vapor de combustible y aire. Diferentes combustibles tienen diferentes límites de inflamabilidad y requieren diferentes niveles de energía de descarga electrostática para encenderse.
Las descargas electrostáticas durante el reabastecimiento de combustible con gasolina son un peligro presente en las gasolineras . [20] También se han iniciado incendios en aeropuertos al reabastecer aviones con queroseno. Las nuevas tecnologías de conexión a tierra, el uso de materiales conductores y la adición de aditivos antiestáticos ayudan a prevenir o disipar de forma segura la acumulación de electricidad estática. Se recomienda a los clientes que necesiten llenar contenedores en gasolineras que los coloquen primero en el suelo para que cualquier acumulación de electricidad estática se disipe sin riesgo de incendio o explosión.
El movimiento fluido de los gases en las tuberías por sí solo crea poca o ninguna electricidad estática. [21] Se prevé que un mecanismo de generación de carga solo ocurre cuando partículas sólidas o gotas de líquido son transportadas en la corriente de gas.
Debido a la humedad extremadamente baja en los entornos extraterrestres, se pueden acumular cargas estáticas muy grandes, lo que supone un gran peligro para los complejos componentes electrónicos utilizados en los vehículos de exploración espacial. Se cree que la electricidad estática es un peligro particular para los astronautas en misiones planificadas a la Luna y Marte . Caminar sobre el terreno extremadamente seco podría hacer que acumulen una cantidad significativa de carga; estirarse para abrir la esclusa de aire a su regreso podría causar una gran descarga estática, que podría dañar los componentes electrónicos sensibles. [22]
Una descarga estática en presencia de aire u oxígeno puede crear ozono . El ozono puede degradar las piezas de goma. Muchos elastómeros son sensibles al agrietamiento por ozono . La exposición al ozono crea grietas penetrantes profundas en componentes críticos como juntas y anillos tóricos . Las líneas de combustible también son susceptibles al problema a menos que se tomen medidas preventivas. Las medidas preventivas incluyen agregar antiozonantes a la mezcla de goma o usar un elastómero resistente al ozono. Los incendios causados por líneas de combustible agrietadas han sido un problema en los vehículos, especialmente en los compartimentos del motor donde el ozono puede ser producido por el equipo eléctrico.
La energía liberada en una descarga de electricidad estática puede variar en un amplio rango. La energía en julios se puede calcular a partir de la capacitancia ( C ) del objeto y el potencial estático V en voltios (V) mediante la fórmula E = ½ CV 2 . [23] Un experimentador estima la capacitancia del cuerpo humano tan alta como 400 picofaradios , y una carga de 50.000 voltios, descargada por ejemplo al tocar un coche cargado, creando una chispa con una energía de 500 milijulios. [24] Otra estimación es de 100–300 pF y 20.000 voltios, produciendo una energía máxima de 60 mJ. [25] La norma IEC 479-2:1987 establece que una descarga con energía superior a 5000 mJ es un riesgo grave directo para la salud humana. La norma IEC 60065 establece que los productos de consumo no pueden descargar más de 350 mJ en una persona.
El potencial máximo está limitado a unos 35–40 kV, debido a que la descarga de corona disipa la carga a potenciales más altos. Los potenciales inferiores a 3000 voltios no suelen ser detectables por los seres humanos. El potencial máximo que se alcanza habitualmente en el cuerpo humano oscila entre 1 y 10 kV, aunque en condiciones óptimas se puede alcanzar hasta 20–25 kV. La baja humedad relativa aumenta la acumulación de carga; caminar 20 pies (6 m) sobre un suelo de vinilo con una humedad relativa del 15% provoca una acumulación de tensión de hasta 12 kV, mientras que con una humedad del 80% la tensión es de solo 1,5 kV. [26]
Una cantidad tan pequeña como 0,2 milijulios puede representar un peligro de ignición; una energía de chispa tan baja suele estar por debajo del umbral de la percepción visual y auditiva humana.
Las energías de ignición típicas son:
La energía necesaria para dañar la mayoría de los dispositivos electrónicos [ especificar ] está entre 2 y 1000 nanojulios. [27]
Se necesita una energía relativamente pequeña, a menudo tan poco como 0,2-2 milijulios, para encender una mezcla inflamable de un combustible y aire. Para los gases de hidrocarburos y disolventes industriales comunes, la energía de ignición mínima requerida para la ignición de la mezcla de vapor-aire es más baja para la concentración de vapor aproximadamente en el medio entre el límite explosivo inferior y el límite explosivo superior , y aumenta rápidamente a medida que la concentración se desvía de este óptimo hacia cualquier lado. Los aerosoles de líquidos inflamables pueden encenderse muy por debajo de su punto de inflamación . Generalmente, los aerosoles líquidos con tamaños de partículas inferiores a 10 micrómetros se comportan como vapores, los tamaños de partículas superiores a 40 micrómetros se comportan más como polvos inflamables. Las concentraciones inflamables mínimas típicas de aerosoles se encuentran entre 15 y 50 g/m 3 . De manera similar, la presencia de espuma en la superficie de un líquido inflamable aumenta significativamente la inflamabilidad. El aerosol de polvo inflamable también puede encenderse, lo que resulta en una explosión de polvo ; El límite explosivo inferior suele estar entre 50 y 1000 g/m3 ; los polvos más finos tienden a ser más explosivos y requieren menos energía de chispa para detonar. La presencia simultánea de vapores inflamables y polvo inflamable puede reducir significativamente la energía de ignición; un mero 1% en volumen de propano en el aire puede reducir la energía de ignición requerida del polvo en 100 veces. Un contenido de oxígeno en la atmósfera superior al normal también reduce significativamente la energía de ignición. [28]
Hay cinco tipos de descargas eléctricas :
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Medios relacionados con Electricidad estática en Wikimedia Commons
La definición del diccionario de electricidad estática en Wikcionario