electricidad estática

La electricidad estática es un desequilibrio de cargas eléctricas dentro o en la superficie de un material. La carga permanece hasta que puede disiparse en forma de corriente eléctrica o mediante una descarga eléctrica . El término "estática" se utiliza para diferenciarla de la corriente eléctrica , donde una carga eléctrica fluye a través de un conductor eléctrico . ^{[ 2 ]}

Se genera una carga electrostática cuando dos superficies entran en contacto o se deslizan entre sí y luego se separan. Los efectos de la electricidad estática son conocidos por la mayoría de las personas, ya que pueden sentir, oír e incluso ver chispas si la carga sobrante se neutraliza al acercarse a un conductor eléctrico (por ejemplo, a tierra) o a una región con una carga sobrante de polaridad opuesta (positiva o negativa). El fenómeno conocido de una descarga electrostática se produce por la neutralización de una carga.  

Los materiales están formados por átomos que normalmente son eléctricamente neutros porque contienen la misma cantidad de cargas positivas ( protones en sus núcleos ) y negativas ( electrones en las capas que rodean el núcleo). El fenómeno de la electricidad estática requiere la separación de cargas positivas y negativas. Cuando dos materiales están en contacto, los electrones pueden moverse de uno a otro, lo que genera un exceso de carga positiva en un material y una carga negativa equivalente en el otro. Al separarse, los materiales conservan este desequilibrio de carga. También es posible la transferencia de iones .

Separación de carga inducida por contacto

Los electrones o iones pueden intercambiarse entre materiales al entrar en contacto o al deslizarse uno contra el otro, lo que se conoce como efecto triboeléctrico y da como resultado que un material se cargue positivamente y el otro negativamente. El efecto triboeléctrico es la principal causa de la electricidad estática que se observa en la vida cotidiana y en las demostraciones científicas comunes de la escuela secundaria que implican 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 produce una " 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 las partículas cargadas positivamente en la pared y puede "adherirse" a ella, suspendido contra la gravedad). ^{[ 3 ]}

Eliminar o prevenir la acumulación de carga estática puede ser tan sencillo como abrir una ventana o usar un humidificador para aumentar la humedad del aire y hacer que la atmósfera sea más conductora. Los ionizadores de aire pueden realizar la misma función. ^{[ 7 ]}

Los objetos particularmente sensibles a la descarga electrostática pueden tratarse con la aplicación de un agente antiestático , que añade una capa superficial conductora que garantiza una distribución uniforme de cualquier exceso de carga. Los suavizantes de telas y las toallitas para secadora que se utilizan en lavadoras y secadoras son un ejemplo de agente antiestático que previene y elimina la electricidad estática . ^{[ 8 ]}

Muchos dispositivos semiconductores utilizados en electrónica son particularmente sensibles a las descargas electrostáticas. Las bolsas antiestáticas conductoras se utilizan comúnmente para proteger dichos componentes. Las personas que trabajan en circuitos que contienen estos dispositivos a menudo se conectan a tierra con una pulsera antiestática conductora . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En entornos industriales como fábricas de pintura o harina, así como en hospitales, a veces se utilizan botas de seguridad antiestáticas para evitar la acumulación de carga estática por contacto con el suelo. Estos zapatos tienen suelas con buena conductividad. No deben confundirse los zapatos antiestáticos con los zapatos aislantes, que ofrecen el beneficio opuesto : cierta protección contra descargas eléctricas graves de la red eléctrica . ^{[ 11 ]} 

En los conjuntos de cables médicos y conductores, se genera ruido triboeléctrico aleatorio cuando los distintos conductores, el aislamiento y los rellenos rozan entre sí al flexionarse el cable durante el movimiento. El ruido generado en un cable se suele denominar ruido de manipulación o ruido de 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 puede suponer 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 de materiales, un diseño meticuloso y un procesamiento adecuado durante la fabricación del cable. ^{[ 12 ]}

La chispa asociada a la electricidad estática es causada por una descarga electrostática, o simplemente descarga estática, a medida que el exceso de carga se neutraliza mediante un flujo de cargas desde o hacia el entorno.

La sensación de una descarga eléctrica se produce por la estimulación de los nervios al fluir la corriente a través del cuerpo humano. La energía almacenada como electricidad estática en un objeto varía según su tamaño y 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 capacitor de 100 picofaradios , cargado a un voltaje de 4000 a 35 000 voltios. Al tocar un objeto, esta energía se descarga en menos de un microsegundo. ^{[ 13 ]} 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 encienda gases o polvo inflamables.

Iluminación

El rayo es un ejemplo natural y espectacular de descarga electrostática. Si bien los detalles no están claros y siguen siendo objeto de debate, se cree que la separación inicial de carga está asociada con el contacto entre partículas de hielo dentro de las nubes de tormenta. En general, las acumulaciones de carga significativas solo pueden persistir en regiones de baja conductividad eléctrica (muy pocas cargas libres para moverse en el entorno), por lo que el flujo de cargas neutralizadoras suele ser el resultado de la ruptura de átomos y moléculas neutras en el aire para formar cargas positivas y negativas separadas, que viajan en direcciones opuestas como una corriente eléctrica, neutralizando la acumulación de carga original. La carga estática en el aire normalmente se rompe de esta manera a unos 10 000 voltios por centímetro (10  kV/cm) dependiendo de la humedad. ^{[ 14 ]} 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 electrostática. 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 expansiva que se crea al expandirse el aire sobrecalentado.

Acumulación de electricidad estática en materiales inflamables y combustibles en movimiento.

La descarga de electricidad estática puede crear graves peligros en aquellas industrias que manipulan sustancias inflamables, donde una pequeña chispa eléctrica podría encender mezclas explosivas. ^{[ 15 ]}

El movimiento de sustancias finamente pulverizadas o fluidos de baja conductividad en tuberías o mediante agitación mecánica puede generar electricidad estática. ^{[ 16 ]} El flujo de gránulos de material como arena por una rampa de plástico puede transferir carga, la cual se puede medir con un multímetro conectado a una lámina metálica que recubre la rampa a intervalos, y puede ser aproximadamente proporcional al flujo de partículas. ^{[ 17 ]} 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 grano 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 una operación de llenado de tanques portátiles y un parque de tanques en Des Moines , Iowa y Valley Center, Kansas en 2007. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

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 de flujo . ^{[ 21 ] [ 22 ]} Los fluidos que tienen baja conductividad eléctrica (por debajo de 50 picosiemens por metro) se denominan acumuladores. Los fluidos con 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 una eliminación adecuada de la carga de un fluido.

El queroseno puede 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. ^{[ 23 ]}

El aceite para transformadores forma parte del sistema de aislamiento eléctrico de los grandes transformadores de potencia y otros aparatos eléctricos. El rellenado de estos aparatos requiere precauciones para evitar 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. Este 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 y la conductividad eléctrica del material. Para los fluidos de hidrocarburos, a veces se aproxima dividiendo 18 entre la conductividad eléctrica del fluido. Así, un fluido con una conductividad eléctrica de 1  pS/m tiene un tiempo de relajación estimado de unos 18 segundos. La carga en exceso en un fluido se disipa casi por completo después de cuatro o cinco veces el tiempo de relajación, es decir, 90 segundos para el fluido del ejemplo anterior.

La generación de carga aumenta con velocidades de fluido más altas y diámetros de tubería mayores, llegando a ser bastante significativa en tuberías de 200 mm  (8 pulgadas  ) o más. La mejor manera de controlar la generación de carga estática en estos sistemas es 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 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 conexión equipotencial y la puesta a tierra son las formas habituales de prevenir la acumulación de carga. Para fluidos con una conductividad eléctrica inferior a 10  pS/m, la conexión equipotencial y la puesta a tierra no son suficientes para disipar la carga, y puede ser necesario el uso de aditivos antiestáticos.

Operaciones de abastecimiento de combustible

El flujo 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 crudos ligeros presentan una capacidad significativa para acumular y retener carga durante el flujo a alta velocidad. Las descargas electrostáticas pueden encender el vapor del combustible. ^{[ 24 ]} Cuando la energía de la descarga electrostática es 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.

Las descargas electrostáticas durante el repostaje de gasolina representan un peligro constante en las gasolineras . ^{[ 25 ]} También se han producido incendios en aeropuertos durante el repostaje de aeronaves con queroseno. Las nuevas tecnologías de puesta 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 sus recipientes en las gasolineras que los coloquen primero en el suelo para que la acumulación de electricidad estática se disipe sin riesgo de incendio o explosión.

El movimiento de los gases en las tuberías por sí solo genera poca o ninguna electricidad estática. ^{[ 26 ]} Se prevé que el mecanismo de generación de carga solo se produce cuando partículas sólidas o gotas líquidas son transportadas en la corriente de gas.

craqueo de ozono

Una descarga electrostática en presencia de aire u oxígeno puede generar ozono , el cual puede degradar las piezas de caucho. Muchos elastómeros son sensibles al agrietamiento por ozono . La exposición al ozono crea grietas profundas en componentes críticos como juntas y anillos tóricos . Las líneas de combustible también son susceptibles a este problema a menos que se tomen medidas preventivas. Estas medidas incluyen la adición de agentes antiozonantes a la mezcla de caucho o el uso de un elastómero resistente al ozono. Los incendios provocados por grietas en las líneas de combustible han sido un problema en los vehículos, especialmente en los compartimentos del motor, donde el ozono puede ser producido por equipos eléctricos.

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 CV² . ^{[ 28 ]} Un experimentador estima la capacitancia del cuerpo humano en hasta 400 picofaradios y un voltaje de 50 000 voltios, descargado, por ejemplo ^, al tocar un automóvil cargado, creando una chispa con una energía de 500 milijulios. ^{[ 29 ]} Otra estimación es de 100–300 pF y 20 000 voltios, produciendo una energía máxima de 60 mJ. ^{[ 30 ]} La norma IEC 479-2 :1987 establece que una descarga con una energía mayor 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 se limita 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 humanos. El potencial máximo que se alcanza comúnmente en el cuerpo humano oscila entre 1 y 10 kV, aunque en condiciones óptimas se pueden 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 un 15 % de humedad relativa provoca una acumulación de voltaje de hasta 12 kV, mientras que con un 80 % de humedad el voltaje es de solo 1,5 kV. ^{[ 31 ]}     

Tan solo 0,2  milijulios pueden representar un riesgo de ignición; esta baja energía de chispa suele estar por debajo del umbral de percepción visual y auditiva humana.

Las energías de ignición típicas son:

• 0,017 mJ para el hidrógeno ,
• 0,2–2 mJ para vapores de hidrocarburos ,
• 1–50 mJ para polvo fino inflamable,
• Entre 40 y 1000 mJ para polvo grueso inflamable.

La energía necesaria para dañar la mayoría de los dispositivos electrónicos está entre 2 y 1000 nanojulios. ^{[ 32 ]}

Se necesita una energía relativamente pequeña, a menudo tan solo 0,2–2  milijulios, para encender una mezcla inflamable de un combustible y aire. Para los gases y disolventes de hidrocarburos industriales comunes, la energía mínima de ignición requerida para la ignición de la mezcla vapor-aire es más baja para la concentración de vapor aproximadamente en el medio entre el límite inferior de explosividad y el límite superior de explosividad , 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 partícula inferiores a 10  micrómetros se comportan como vapores, los tamaños de partícula superiores a 40  micrómetros se comportan más como polvos inflamables. Las concentraciones mínimas típicas de inflamabilidad de aerosoles se encuentran entre 15 y 50  g/m³ ^. 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, lo que resulta en una explosión de polvo ; El límite inferior de explosividad suele estar entre 50 y 1000  g/m³ ^; los polvos más finos tienden a ser más explosivos y requieren menos energía de chispa para encenderse. La presencia simultánea de vapores y polvo inflamables puede disminuir significativamente la energía de ignición; tan solo un 1 % en volumen de propano en el aire puede reducir la energía de ignición requerida del polvo hasta 100 veces. Un contenido de oxígeno superior al normal en la atmósfera también reduce significativamente la energía de ignición. ^{[ 33 ]}

Existen cinco tipos de descargas eléctricas :

• Las chispas son la causa de la mayoría de los incendios y explosiones industriales en los que interviene la electricidad estática. Se producen entre objetos con diferentes potenciales eléctricos. Como medidas preventivas, se utiliza una buena conexión a tierra de todos los componentes del equipo y precauciones para evitar la acumulación de carga en el equipo y el personal.
• La descarga de cepillo se produce desde una superficie cargada no conductora o líquidos no conductores altamente cargados. La energía se limita a aproximadamente 4 milijulios. Para que sea peligrosa, el voltaje involucrado debe ser superior a unos 20 kilovoltios, la polaridad de la superficie debe ser negativa, debe existir una atmósfera inflamable en el punto de descarga y la energía de descarga debe ser suficiente para provocar la ignición. Además, debido a que las superficies tienen una densidad de carga máxima, debe estar involucrada un área de al menos 100 cm² ^. Esto no se considera un peligro para las nubes de polvo.
• La descarga de cepillo propagada es de alta energía y peligrosa. Ocurre cuando una superficie aislante de hasta 8  mm de espesor (por ejemplo, un revestimiento de teflón o vidrio de una tubería metálica conectada a tierra o un reactor) se ve sometida a una gran acumulación de carga entre las superficies opuestas, actuando como un condensador de gran superficie.
• La descarga cónica , también llamada descarga de cepillo de volumen , se produce sobre superficies de polvos cargados con una resistencia superior a 10¹⁰ ^ohmios  , o también en profundidad a través de la masa de polvo. Las descargas cónicas no suelen observarse en volúmenes de polvo inferiores a 1 ^m³  . La energía involucrada depende del tamaño de grano del polvo y de la magnitud de la carga, y puede alcanzar hasta 20 mJ. Los volúmenes de polvo mayores producen energías más elevadas. 
• Descarga de corona , considerada no peligrosa.

• Pararrayos
• carga eléctrica
• Descarga electrostática
• Generador electrostático
• Electrostática
• Efecto triboeléctrico
• Generador de Van de Graaff
• Máquina de Wimshurst

• Contenido multimedia relacionado con la electricidad estática en Wikimedia Commons.
• Definición de electricidad estática en Wikcionario