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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 alejarse por una corriente eléctrica o descarga eléctrica . La palabra "estática" se utiliza para diferenciarla de la electricidad actual , donde 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 entre sí 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, un camino a tierra) o a una región con exceso de carga. carga de polaridad opuesta (positiva o negativa). El conocido fenómeno de una descarga estática (más concretamente, una descarga electrostática ) es causado por la neutralización de una carga.
Los materiales están formados por átomos que normalmente son eléctricamente neutros porque contienen igual número 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 pasar de un material a otro, lo que deja un exceso de carga positiva en un material y una carga negativa igual en el otro. Cuando los materiales se separan mantienen este desequilibrio de carga. También es posible transferir iones .
Se pueden intercambiar electrones o iones entre materiales al entrar en contacto o cuando se deslizan entre sí, 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 causa principal de la electricidad estática que se observa en la vida cotidiana y, en las demostraciones científicas comunes de la escuela secundaria, implica frotar diferentes materiales (por ejemplo, piel contra una varilla acrílica). La separación de carga inducida por el contacto hace que el cabello se erice y provoca " adherencia estática " (por ejemplo, un globo que se frota contra el cabello queda cargado negativamente; cuando está cerca de una pared, el globo cargado es atraído por partículas cargadas positivamente en la pared, y puede "aferrarse" a él, suspendido contra la gravedad).
El estrés mecánico aplicado 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 la presión están estrechamente relacionadas.
Un objeto cargado acercado 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 son repelidas y se mueven hacia el lado del objeto alejado de la carga externa, y las cargas de polaridad opuesta son atraídas y se mueven hacia el lado que mira hacia la carga. A medida que la fuerza debida a la interacción de cargas eléctricas disminuye rápidamente al aumentar la distancia, el efecto de las cargas más cercanas (polaridad opuesta) es mayor y los dos objetos sienten una fuerza de atracción. Una conexión a tierra cuidadosa de parte de un objeto puede agregar o eliminar electrones de forma permanente, dejando el objeto con una carga global y permanente.
Eliminar o prevenir la acumulación de carga estática puede ser tan simple como abrir una ventana o usar un humidificador para aumentar el contenido de humedad del aire, haciendo 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 se pueden tratar con la aplicación de un agente antiestático , que agrega una capa superficial conductora que garantiza que cualquier exceso de carga se distribuya uniformemente. Los suavizantes de telas y las toallitas para secadora que se usan en lavadoras y secadoras de ropa son un ejemplo de agente antiestático que se usa para prevenir y eliminar la adherencia estática . [3]
Muchos dispositivos semiconductores utilizados en electrónica son particularmente sensibles a las descargas estáticas. Las bolsas antiestáticas conductoras se utilizan habitualmente para proteger dichos componentes. Las personas que trabajan en circuitos que contienen estos dispositivos suelen conectarse a tierra con una correa conductora antiestática . [4] [5]
En entornos industriales, como plantas de pintura o harina, así como en 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 causadas por la tensión de red . [6]
Dentro de los conjuntos de cables y cables médicos, se genera ruido triboeléctrico aleatorio cuando los distintos conductores, aislamientos y rellenos rozan 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 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 cuidadosa selección, diseño y procesamiento de materiales a medida que se fabrica el material del cable. [7]
La chispa asociada con la electricidad estática es causada por una descarga electrostática, o simplemente una 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 cuando 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, se representa a un ser humano 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 puede generar una chispa que puede encender gases o polvos inflamables.
Los rayos son un espectacular ejemplo natural de descarga estática. Si bien los detalles no están claros y siguen siendo tema de debate, se cree que la separación de carga inicial está asociada con el contacto entre partículas de hielo dentro de las nubes de tormenta. En general, las acumulaciones significativas de carga sólo 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 rompen para formar partículas positivas separadas. y cargas negativas, 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 provocando el destello brillante y produce una onda de choque que provoca el sonido retumbante. Un rayo es simplemente una versión ampliada 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 trueno es el resultado de la onda de choque creada 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 manipulan 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 peligros en aquellas industrias que trabajan con 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 ocurridos debido a descargas estáticas se encuentran la explosión de un silo de granos en el suroeste de Francia, una planta de pintura en Tailandia, una fábrica de molduras de fibra de vidrio en Canadá, la explosión de un tanque de almacenamiento en Glenpool , Oklahoma en 2003, y un 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 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 una adecuada eliminación de carga de un fluido.
Los querosenos pueden tener una conductividad que oscila entre menos de 1 picosiemens por metro y 20 pS/m. En 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 grandes transformadores de potencia y otros aparatos eléctricos. El rellenado de aparatos grandes requiere precauciones contra la carga electrostática del fluido, que puede dañar el sensible aislamiento del transformador.
Un concepto importante para los fluidos aislantes es el tiempo de relajación estática. Esto es similar a la constante de tiempo τ (tau) de un circuito RC . Para materiales aislantes, es la relación entre la constante dieléctrica estática dividida por la conductividad eléctrica del material. Para los fluidos de hidrocarburos, esto a veces se aproxima dividiendo el número 18 por la conductividad eléctrica del fluido. Así, un fluido que tiene una conductividad eléctrica de 1 pS/m tiene un tiempo de relajación estimado de aproximadamente 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 en el ejemplo anterior.
La generación de carga aumenta a velocidades de fluido más altas y diámetros de tubería más grandes, volviéndose 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 prácticas para el control de la electricidad estática indeseable, prescribe límites de velocidad de flujo en las tuberías. Debido a que el contenido de agua tiene un gran impacto en la constante dieléctrica del fluido, la velocidad recomendada para fluidos de hidrocarburos que contienen agua debe limitarse a 1 metro por segundo.
La unión y la conexión a tierra son las formas habituales en que se puede evitar la acumulación de carga. Para fluidos con una conductividad eléctrica inferior a 10 pS/m, la unión y la conexión a tierra no son adecuadas para la disipación de carga y es posible que se requieran aditivos antiestáticos. [ cita necesaria ]
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 del combustible. [19] Cuando la energía de la descarga electrostática es lo suficientemente alta, puede encender una mezcla de vapor de combustible y aire. Los diferentes combustibles tienen diferentes límites de inflamabilidad y requieren diferentes niveles de energía de descarga electrostática para encenderse.
La descarga electrostática al cargar gasolina es un peligro presente en las gasolineras . [20] También se han iniciado incendios en los aeropuertos mientras los aviones repostaban 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.
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 se produzca cuando la corriente de gas transporta partículas sólidas o gotas de líquido.
Debido a la humedad extremadamente baja en los entornos extraterrestres, se pueden acumular cargas estáticas muy grandes, lo que supone un gran peligro para la compleja electrónica utilizada 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 un terreno extremadamente seco podría hacer que acumularan una cantidad significativa de carga; Extender la mano para abrir la esclusa de aire a su regreso podría provocar 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 profundas y penetrantes en componentes críticos como juntas y juntas tóricas . 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 caucho o usar un elastómero resistente al ozono. Los incendios provocados por tuberías de combustible agrietadas han sido un problema en los vehículos, especialmente en los compartimentos del motor, donde los equipos eléctricos pueden producir ozono.
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 que la capacitancia del cuerpo humano es de 400 picofaradios y una carga de 50.000 voltios, descargada, por ejemplo, al tocar un coche cargado, genera una chispa con una energía de 500 milijulios. [24] Otra estimación es de 100 a 300 pF y 20 000 voltios, lo que produce una energía máxima de 60 mJ. [25] IEC 479-2:1987 establece que una descarga con energía superior a 5000 mJ es un riesgo grave directo para la salud humana. IEC 60065 establece que los productos de consumo no pueden descargar más de 350 mJ a una persona.
El potencial máximo está limitado a aproximadamente 35 a 40 kV, debido a que la descarga en corona disipa la carga a potenciales más altos. Los potenciales por debajo de 3000 voltios normalmente no son detectables por los humanos. El potencial máximo comúnmente alcanzado 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 piso de vinilo con una humedad relativa del 15% provoca una acumulación de voltaje de hasta 12 kV, mientras que con una humedad del 80% el voltaje es de solo 1,5 kV. [26]
Tan solo 0,2 milijulios pueden 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 [ especifique ] está entre 2 y 1000 nanojulios. [27]
Se necesita una energía relativamente pequeña, a menudo tan solo 0,2 a 2 milijulios, para encender una mezcla inflamable de combustible y aire. Para los solventes y gases de hidrocarburos industriales comunes, la energía de ignición mínima requerida para la ignición de la mezcla de vapor y 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 a ambos lados. 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 mínimas típicas de aerosoles inflamables se sitúan 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. Los aerosoles de polvo inflamable también pueden encenderse, provocando una explosión de polvo ; el límite explosivo inferior suele estar entre 50 y 1000 g/m 3 ; Los polvos más finos tienden a ser más explosivos y requieren menos energía de chispa para estallar. La presencia simultánea de vapores y polvos inflamables puede disminuir significativamente la energía de ignición; un simple 1% en volumen de propano en el aire puede reducir 100 veces la energía de ignición requerida del polvo. Un contenido de oxígeno en la atmósfera superior al normal también reduce significativamente la energía de ignición. [28]
Existen cinco tipos de descargas eléctricas :
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Medios relacionados con la electricidad estática en Wikimedia Commons
La definición del diccionario de electricidad estática en Wikcionario.