viernes, 17 de junio de 2011

Electricidad estática: ¿Cómo funciona?

Créditos: adamentmeat
Para muchos de nosotros, la electricidad estática es uno de los primeros encuentros que tenemos con el electromagnetismo y es un elemento básico de la física en la escuela secundaria. Por lo general, es explicada como un producto de electrones transferidos en una sola dirección entre una diferencia de sustancias, como el vidrio y lana, o un globo y una camiseta de algodón (dependiendo si la demostración es en una clase de secundaria o es para niños). Diferentes sustancias tienen una tendencia a recoger cargas positivas o negativas, a menudo se nos dice y en el proceso no se transfiere una gran cantidad de carga, pero es la suficiente para causar que un globo se adhiera al techo o dar a alguien una descarga en un día frío y seco.

Casi tdo lo anterior está mal, de acuerdo a un artículo publicado en Science. Las cargas pueden ser transferidas entre materiales idénticos, ya que todos los materiales se comportan más o menos igual, los cargas son el resultado de reacciones químicas y cada superficie se convierte en un mosaico de cargas positivas y negativas, que alcanzan niveles mil veces mayores que la superficie de carga promedio.

¿Por dónde empezar? Los autores parten de que hace unos 2,500 años, señalando que el estudio de la estática se inició con un griego llamado Tales de Mileto, estudiando el ámbar y la lana. Pero no fue hasta el año pasado que algunos de los autores del nuevo estudio publicaron un resultado sorprendente: la electrificación de contacto (este fenómeno es conocido entre sus fans con orientación técnica) que puede ocurrir entre dos hojas de la misma sustancia e incluso cuando estás simplemente se colocan una contra la otra. "De acuerdo con la visión convencional de la electrificación de contacto", señalan, "esto no debería suceder ya que los potenciales químicos de las dos superficies / materiales son idénticos y no hay aparentemente ninguna fuerza termodinámica para impulsar la transferencia de carga".

Una posible explicación de esto es que la superficie de un material, en lugar de ser uniformes desde el punto de vista estático, es un mosaico de carga y de  donación de áreas de recepción de carga. Para averiguarlo, se realizó la electrificación de contacto con aislantes (policarbonato y otros polímeros), un semiconductor (silicio) y un conductor (aluminio). Las superficies cargadas fueron escaneadas con alta resolución utilizando microscopía de fuerza Kelvin, una variante de la microscopía de fuerza atómica, que es capaz de leer la cantidad de carga en una superficie.

Las exploraciones con el microscopio de fuerza Kelvin mostraron que las superficies resultantes eran mosaicos, con áreas de cargas positivas y negativas del orden de un micrómetro o menos tamaño. Todos los materiales que probaron, no importa la carga total que habían recogido, mostraron este patrón de mosaico. Los cargas se disiparon con el tiempo y los autores encontraron que este proceso no parece ocurrir por transferencia de electrones entre áreas vecinas con cargas diferentes, en lugar de confusión en el entorno, los picos y valles de la carga siguen siendo distintos, pero poco a poco disminuyen de tamaño . Los autores estiman que cada una de estas áreas contiene cerca de 500 cargas elementales (que son ± 500 electrones) o alrededor de una carga por cada 10nm2.

La razón de que esto produzca una carga relativamente débil no se debe a estos picos y valles son pequeñas, la diferencia de carga entre ellos es del orden de 1,000 veces mayor que el promedio de carga de todo el material. Es sólo que la superficie total de sitios con cargas positivas y negativas son casi iguales (los dos son por lo general dentro de una fracción de uno por ciento de la otra). La distribución parece ser totalmente al azar, ya que los autores fueron capaces de producir patrones similares con un generador de ruido blanco que fluctuaron en dos escalas de longitud: 450 nm y 44nm.

Entonces, ¿qué hacer con estas cargas? No es, al parecer, la transferencia de electrones entre las superficies. Espectroscopia detallada de uno de los polímeros (PDMS) sugiere que las reacciones químicas pueden estar involucradas, ya que muchos derivados oxidados del polímero se detectaron. Además, existe evidencia de que algún material se transfiere de una superficie a otra. Utilizando piezas separadas de flúor y polímeros que contienen silicio permitió a los autores mostrar señales consistentes con presencia de flúor detectadas en muestras de silicio después del contacto.

La relación exacta entre la transferencia de carga y los procesos se ve aquí, las reacciones químicas y la transferencia de material entre las superficies claras, no sucede en este punto. Sin embargo, hay mecanismos plausibles por los que estos procesos podrían acumular cargas y los autores claramente tienen la intención de dar seguimiento a estas conclusiones.

Mientras tanto, puede ser debido a la impresión que con la cantidad de carga que se puede barajar se acumulan estática. Cada pulgada cuadrada equivale a alrededor de 6,5 x 1014 nanómetros cuadrados, por lo que basados ​​en el número de los autores, eso es una cantidad impresionante de electrones.

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