martes, 15 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (V): ENTRADA TEORICA. Electricidad estática y el efecto triboeléctrico


Va siendo hora de explicar porque el frotar una materia con otra produce electricidad, que es lo que se denomina efecto Triboeléctrico (del griego tribein, "frotar" y elektron, "ámbar"), aunque esto no se supo hasta el siglo XX con la moderna teoría atómica y en nuestro relato estamos en el siglo XVII.

Esta explicación intentaré que sea lo más sencilla posible, aunque cuando bajamos a nivel atómico muchas veces es fácil perderse (y si entramos a niveles cuánticos más todavía pero no llegaremos hasta allí), por lo que simplificaré al máximo. Sabemos que la materia está compuesta de átomos y que estos tienen dos partes, un núcleo muy compacto lleno de protones y neutrones, rodeado de una nube de electrones. Los electrones no giran en órbitas circulares fijas alrededor del núcleo, sino que se mueven aleatoriamente en ciertas zonas del átomo, estas zonas se denominan orbitales y son las zonas donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón. Esto significa que puedes encontrar normalmente al electrón moviéndose libremente por esa zona, aunque algunas veces estará fuera de ella. Esta movilidad es la que hace que los átomos se puedan combinar entre sí. Para nuestra explicación no entraremos en más detalles, solo que los orbitales están distribuidos en capas no concéntricas, sino que se solapan y entrecruzan. 
Algunos orbitales, las zonas mas claras son las de mayor probabilidad de encontrar al electrón (fuente: astrofacil.com)

Los electrones de la capa más externa están menos retenidos por el núcleo y pueden en ciertas ocasiones salir de su lugar pasando a otro átomo cercano. Eso es lo que pasa cuando acercas un material a otro, hay átomos que tienen más facilidad por ganar electrones y otros que tienen más facilidad para perderlos, lo que se denomina afinidad, por eso cuando entran en contacto dos materiales diferentes se produce una transferencia de electrones de uno a otro en función de su afinidad. La cantidad de electrones que se traspasan van en función de temas como humedad o temperatura, pero solo se producen por el contacto. Lo que hacemos al frotar es renovar continuamente las zonas en contacto, lo que sería equivalente a aumentar la superficie de contacto, la propia acción de frotar no es la importante sino el hecho de que así hacemos que se produzcan más contactos entre ambos materiales, y en esos contactos es donde se intercambian los electrones de uno a otro material. 

Los electrones intercambiados por el contacto son muy poco numerosos, se estima que se puede transferir un electrón por cada mil átomos, por eso la renovación hace que aumente tanto el número de electrones. Si la materia que gana los electrones es conductora estos se distribuyen uniformemente por el objeto, mientras que en los no conductores permanecen en la zona donde se han depositado. Cuando los objetos se separan están en contacto con el aire, y también realiza el efecto contra el propio aire que es el mejor material triboeléctrico por su gran movilidad, por lo que la carga así inducida no es permanente, sino que se pierde poco a poco.

Cuando un electrón pasa de una substancia a otra la donante gana una carga positiva, mientras que la receptora gana una negativa, dependiendo de la conductividad de cada uno las cargas se reponen más o menos rápido, la piel por ejemplo cede rápidamente electrones, pero al no estar aislados de tierra estas cargas se reponen continuamente para permanecer eléctricamente neutros, el vidrio pierde electrones un poco menos fácilmente por lo que los gana al frotarlo con la mano, aunque ambos tengan facilidad por perderlos uno lo tiene más que el otro. El ámbar los gana aunque no con demasiada afinidad, por eso hay que elegir bien el elemento a frotar y con que hacerlo, lo más usado era el vidrio usando un pañuelo de seda.

Esta electricidad se denomina estática, no porque permanece en los puntos en que se genera pues puede circular, realmente se denomina así como contrapuesto a dinámica, la que se genera de manera contínua y circula libremente por un circuito.

Hoy día el elemento mas común que usa electricidad estática es la impresora láser, el tambor se carga con una corriente positiva, aunque no por frotamiento sino mediante un hilo cargado, un láser o diodo la retira y quedan zonas negativas de corriente estática, al no ser conductor el tambor las cargas no se mueven del sitio, luego pasa junto al tóner que es atraído hacia esas zonas negativas, pasando por contacto al papel.
Tambor de una impresora láser (fuente: webcartucho.com)
Hay una escala de elementos que se establece en cuanto a la facilidad para donar electrones llamada serie triboeléctrica, que fue estudiada por los experimentadores de la electricidad y en la que en el elemento que más electrones cede es el Aire, seguido de la piel humana, en el centro están los que no toman ni ceden casi electrones que son el algodón y el acero, y abajo los que más electrones recogen siendo el último la ebonita, aunque muchos elementos de esta tabla son modernos y no usados en el siglo XVII. 

No hay que confundir que un elemento recoja cargas con que sea aislante, la propiedad de aislante se relaciona con la conducción de la electricidad y las corrientes en movimiento, aquí hablamos de electricidad estática, la que se produce por el efecto triboeléctrico y no circula por un circuito. Así el vidrio es un buen aislante a la vez que un buen elemento triboeléctrico, pero las cargas en su superficie no se mueven, permanecen en el lugar donde se generan.

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