Eletricidade estática

Eletricidade estática é toda forma de eletricidade que está em equilíbrio, ou seja, não está se movendo de um corpo para outro. Quando a eletricidade está em movimento, ela é chamada de eletricidade dinâmica.

Um erro muito comum é confundir eletricidade estática com a eletricidade gerada por fricção. Isto porque a eletricidade, gerada por qualquer meio, se for posta em movimento, ou seja, atravessar algum condutor, deve ser considerada eletricidade dinâmica.

A Eletricidade Estática é um balanço de cargas elétricas entre a superfícies de material. A Carga permanece até que seja capaz de se mover através da corrente elétrica ou descarga elétrica. Eletricidade estática é nomeada em contraste com a corrente elétrica, essa na qual é acompanhada por cabos ou outros condutores capazes de transmitir energia.

Objetos com a mesma carga estática se repelem

A Eletricidade Estática pode ser criada sempre que suas superfícies entram em contato. Os efeitos da eletricidade estática são familiares para a maioria das pessoas porque elas podem sentir, ouvir e ver as faíscas quando o excesso de carga é neutralizado quando aproximado de um condutor. O fenômeno mais familiar é o choque estático – mais especificamente, descarga elétrica – causado pela neutralização de cargas.

História

Por volta de 600AC, Tales de Mileto descobriu que esfregar Âmbar fazia com que ele pegasse folhas e poeira.

Causas

Os materiais são feitos de átomos que normalmente são eletricamente neutros porque contêm números iguais de cargas positivas e negativas. O Fenômeno de Eletricidade Estática requer a separação de cargas positivas e negativas.  Quando dois materiais entram em contato, elétrons se move de um material para o outro, o que deixa um excesso de carga positiva em um material e uma carga negativa igual no outro. Quando os materiais são separados, eles retêm esse desequilíbrio de carga.

Separação de carga induzida por contato

Artigo principal: Efeito triboelétrico

Elétrons podem ser trocados entre materiais em contato; materiais com elétrons fracamente ligados tendem a perdê-los, enquanto materiais com camadas externas pouco preenchidas tendem a ganhá-los. Isso é conhecido como efeito triboelétrico e resulta em um material que se torna carregado positivamente e o outro negativamente. A polaridade e a força da carga em um material, uma vez separados, dependem de suas posições relativas na série triboelétrica. O efeito triboelétrico é a principal causa da eletricidade estática observada na vida cotidiana e em demonstrações de ciências comuns no ensino médio envolvendo esfregar diferentes materiais (por exemplo, pele contra uma haste de acrílico). A separação de carga induzida por contato faz com que seu cabelo se levante e causa "aderência estática" (por exemplo, um balão esfregado contra o cabelo torna-se carregado negativamente; quando perto de uma parede, o balão carregado é atraído por partículas carregadas positivamente na parede, e pode "agarrar-se" a ele, parecendo estar suspenso contra a gravidade).

O contato com a lâmina deixou o cabelo da criança com carga positiva, de modo que os fios individuais se repelem. O cabelo também pode ser atraído para a superfície da lâmina com carga negativa.

Separação de carga induzida por pressão

Artigo principal: Efeito piezoelétrico

Aplicar estresse mecânico gera uma separação de carga em certos tipos de cristais e moléculas de cerâmica. Separação de carga induzida por calor

Artigo principal: Efeito piroelétrico

O aquecimento gera uma separação de carga nos átomos ou moléculas de certos materiais. Todos os materiais piroelétricos também são piezoelétricos. As propriedades atômicas ou moleculares da resposta ao calor e à pressão estão intimamente relacionadas. Separação de carga induzida por carga

Artigo principal: indução eletrostática

Artigos sobre
Eletromagnetismo
Electricidade Magnetismo História [en] Livros didáticos [en]
Eletrostática Carga elétrica Lei de Coulomb Condutor Densidade de carga Permissividade Momento do dipolo elétrico Campo elétrico Potencial elétrico Fluxo elétrico / energia potencial Descarga electrostática Lei de Gauss Indução Isolante Densidade de polarização Eletricidade estática Triboeletricidade [en]
Magnetostática Lei de Ampère Lei de Biot – Savart Lei de Gauss para o magnetismo Campo magnético Fluxo magnético Momento do dipolo magnético Permeabilidade magnética Potencial escalar magnético Magnetização [en] Força magnetomotriz Vetor potencial magnético Regra da mão direita [en]
Eletrodinâmica Lei da força de Lorentz Indução eletromagnética Lei de Faraday Lei de Lenz Corrente de deslocamento Equações de Maxwell Campo eletromagnético Pulso eletromagnético Radiação eletromagnética Tensor de Maxwell Vetor de Poynting Potentiais de Liénard – Wiechert Equações de Jefimenko Corrente de Foucault Equações de London [en] Descrições matemáticas do campo eletromagnético [en]
Circuito elétrico Corrente alternada Capacitância Corrente contínua Corrente elétrica Eletrólise Densidade de corrente elétrica Lei de Joule Força eletromotriz Impedância Indutância Lei de Ohm Circuito paralelo Resistência [en] Cavidades ressonantes [en] Circuito em série Tensão elétrica Guias de onda
Formulação covariante [en] Tensor eletromagnético (Tensor de tensão–energia) Quadricorrente Quadripotencial eletromagnético
Cientistas Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Hopkinson Jefimenko [en] Joule Lenz Liénard Lorentz Maxwell Neumann Ørsted Ohm Poynting Ritchie [en] Savart Singer [en] Steinmetz Tesla Thomson Volta Weber Wiechert Poisson

Um objeto carregado trazido para perto de um objeto eletricamente neutro causa uma separação de carga dentro do objeto neutro. Cargas da mesma polaridade são repelidas e cargas da polaridade oposta são atraídas. Como a força devido à interação das cargas elétricas diminui rapidamente com o aumento da distância, o efeito das cargas mais próximas (polaridade oposta) é maior e os dois objetos sentem uma força de atração. O efeito é mais pronunciado quando o objeto neutro é um condutor elétrico, pois as cargas são mais livres para se mover. O aterramento faz parte de um objeto com uma separação de carga induzida por pode adicionar ou remover permanentemente elétrons, deixando o objeto com uma carga global e permanente[MATDS1] . Este processo é parte integrante do funcionamento do gerador Van de Graaff, um dispositivo comumente usados para demonstrar os efeitos da eletricidade estática.

Prevenção

Artigos principais: Agente antiestático e dispositivo antiestático

A remoção ou prevenção do acúmulo de carga estática pode ser tão simples quanto abrir uma janela ou usar um umidificador para aumentar o teor de umidade do ar, tornando a atmosfera mais condutiva. Ionizadores de ar podem realizar a mesma tarefa.

Itens que são particularmente sensíveis à descarga estática podem ser tratados com a aplicação de um agente antiestático, que adiciona uma camada de superfície condutora que garante que qualquer excesso de carga seja uniformemente distribuído. Os amaciantes de roupas usados em secadoras e máquinas de lavar são um exemplo de agente antiestático usado para prevenir e remover aderência estática.

Muitos dispositivos semicondutores usados em eletrônicos são particularmente sensíveis à descarga estática. Sacos antiestáticos são comumente usados para proteger esses componentes. Pessoas que trabalham em circuitos que contêm esses dispositivos costumam se aterrar com uma pulseira antiestática condutiva.

Amendoins de isopor grudados no pelo de um gato devido à eletricidade estática. O efeito triboelétrico faz com que uma carga eletrostática se acumule na pele devido ao movimento do gato. O campo elétrico da carga causa a polarização das moléculas do isopor devido à indução eletrostática, resultando em uma leve atração das leves peças plásticas para o pelo carregado. Esse efeito também é a causa da aderência estática nas roupas.

Em ambientes industriais, como fábricas de tintas ou farinha, bem como em hospitais, botas de segurança antiestáticas são às vezes usadas para evitar o acúmulo de carga estática devido ao contato com o chão. Esses sapatos têm solas com boa condutividade. Sapatos antiestáticos não devem ser confundidos com sapatos isolantes, que fornecem exatamente o benefício oposto - alguma proteção contra choques elétricos graves da tensão da rede elétrica.

Descarga estática

Artigos principais: Descarga eletrostática

A faísca associada à eletricidade estática é causada por descarga eletrostática, ou simplesmente descarga estática, pois o excesso de carga é neutralizado por um fluxo de cargas de ou para o ambiente.

               A sensação de um choque elétrico é causada pela estimulação dos nervos à medida que a corrente neutralizante flui pelo corpo humano. A energia armazenada como eletricidade estática em um objeto varia de acordo com o tamanho do objeto e sua capacitância, a tensão na qual ele é carregado e a constante dielétrica do meio circundante. Para modelar o efeito da descarga estática em dispositivos eletrônicos, o ser humano é representado como um capacitor de 100 picofarads, carregado com uma tensão de 4.000 a 35.000 volts. Ao tocar um objeto, essa energia é descarregada em menos de um microssegundo. Embora a energia total seja pequena, da ordem de milijoules, ela ainda pode danificar dispositivos eletrônicos sensíveis. Objetos maiores armazenam mais energia, o que pode ser diretamente perigoso para o contato humano ou pode dar uma faísca que pode incendiar gás ou poeira inflamáveis.

Relâmpago

Artigo principal: Relâmpago

Uma placa de rede dentro de uma embalagem antiestática.

Uma pulseira antiestática com clipe de crocodilo.

O raio é um exemplo natural dramático de descarga estática. Embora os detalhes não sejam claros e permaneçam um assunto de debate, acredita-se que a separação de carga inicial esteja associada ao contato entre as partículas de gelo dentro das nuvens de tempestade. Em geral, acúmulos de carga significativos só podem persistir em regiões de baixa condutividade elétrica (com poucas cargas livres para se mover nos arredores), portanto, o fluxo de cargas neutralizantes muitas vezes resulta de átomos e moléculas neutras no ar sendo separadas para formar cargas positivas e negativas separadas, que viajam em direções opostas como uma corrente elétrica, neutralizando o acúmulo original de carga. A carga estática no ar normalmente se quebra desta forma em cerca de 10.000 volts por centímetro (10 kV / cm), dependendo da umidade. A descarga superaquece o ar circundante, causando um flash brilhante e produz uma onda de choque que causa o som de clique. O relâmpago é simplesmente uma versão ampliada das faíscas vistas em ocorrências mais domésticas de descarga estática. O flash ocorre porque o ar no canal de descarga é aquecido a uma temperatura tão alta que emite luz por incandescência. O estrondo de um trovão é o resultado da onda de choque criada à medida que o ar superaquecido se expande de forma explosiva.

Componentes eletrônicos

Muitos dispositivos semicondutores usados em eletrônicos são muito sensíveis à presença de eletricidade estática e podem ser danificados por uma descarga estática. O uso de pulseira antiestática é obrigatório para pesquisadores que manipulam nanodispositivos. Precauções adicionais podem ser tomadas tirando os sapatos com sola de borracha grossa e permanecendo permanentemente com aterramento metálico.

Acúmulo de estática no fluxo de materiais inflamáveis

A descarga de eletricidade estática pode criar riscos graves nas indústrias que lidam com substâncias inflamáveis, onde uma pequena faísca elétrica pode inflamar misturas explosivas.

O movimento de fluxo de substâncias em pó fino ou fluidos de baixa condutividade em tubos ou por agitação mecânica pode gerar eletricidade estática. O fluxo de grânulos de material como areia em um chute de plástico pode transferir carga, que pode ser facilmente medida usando um multímetro conectado a uma folha de metal que reveste o chute em intervalos, e pode ser aproximadamente proporcional ao fluxo de partículas. Nuvens de poeira de substâncias em pó podem se tornar combustíveis ou explosivas. Quando há uma descarga estática em uma nuvem de poeira ou vapor, explosões ocorreram. Entre os principais incidentes industriais que ocorreram estão: um silo de grãos no sudoeste da França, uma fábrica de tintas na Tailândia, uma fábrica de molduras de fibra de vidro no Canadá, a explosão de um tanque de armazenamento em Glenpool, Oklahoma, em 2003, e uma operação de enchimento de tanques portáteis e uma fazenda de tanques em Des Moines, Iowa e Valley Center, Kansas em 2007.

A capacidade de um fluido de reter uma carga eletrostática depende de sua condutividade elétrica. Quando fluidos de baixa condutividade fluem através de dutos ou são mecanicamente agitados, ocorre a separação de carga induzida por contato chamada eletrificação de fluxo. Fluidos com baixa condutividade elétrica (abaixo de 50 picosiemens por metro), são chamados de acumuladores.

Fluidos com condutividade acima de 50 pS / m são chamados de não acumuladores. Em não acumuladores, as cargas se recombinam tão rapidamente quanto são separadas e, portanto, o acúmulo de carga eletrostática não é significativo. Na indústria petroquímica, 50 pS / m é o valor mínimo recomendado de condutividade elétrica para a remoção adequada de carga de um fluido.

Descarga estática natural

Os querosenos podem ter condutividade variando de menos de 1 picosiemens por metro a 20 pS / m. Para comparação, a água desionizada tem uma condutividade de cerca de 10.000.000 pS / m ou 10 µS / m.

O óleo de transformador faz parte do sistema de isolamento elétrico de grandes transformadores e outros aparelhos elétricos. O reabastecimento de aparelhos grandes requer precauções contra a carga eletrostática do fluido, que pode danificar o isolamento sensível do transformador.

Um conceito importante para fluidos isolantes é o tempo de relaxamento estático. Isso é semelhante à constante de tempo τ (tau) em um circuito RC. Para materiais isolantes, é a razão da constante dielétrica estática dividida pela condutividade elétrica do material. Para fluidos de hidrocarbonetos, isso às vezes é aproximado dividindo o número 18 pela condutividade elétrica do fluido. Assim, um fluido que tem uma condutividade elétrica de 1 pS / m tem um tempo de relaxamento estimado de cerca de 18 segundos. O excesso de carga em um fluido se dissipa quase completamente após quatro a cinco vezes o tempo de relaxamento, ou 90 segundos para o fluido no exemplo acima.

A geração de carga aumenta em velocidades de fluido mais altas e diâmetros de tubo maiores, tornando-se bastante significativa em tubos de 8 polegadas (200 mm) ou maiores. A geração de carga estática nesses sistemas é melhor controlada limitando a velocidade do fluido. A norma britânica BS PD CLC / TR 50404: 2003 (anteriormente BS-5958-Parte 2) Código de Prática para Controle de Eletricidade Estática Indesejável prescreve limites de velocidade de fluxo de tubo. Como o conteúdo de água tem um grande impacto na constante dielétrica dos fluidos, a velocidade recomendada para fluidos de hidrocarbonetos contendo água deve ser limitada a 1 metro por segundo.

A ligação e o aterramento são as formas usuais pelas quais o acúmulo de carga pode ser evitado. Para fluidos com condutividade elétrica abaixo de 10 pS / m, ligação e aterramento não são adequados para dissipação de carga e aditivos antiestáticos podem ser necessários.

Operações de abastecimento

               O movimento de fluidos de líquidos inflamáveis como gasolina dentro de um cano pode gerar eletricidade estática. Líquidos não polares, como gasolina, tolueno, xileno, diesel, querosene e óleos crus leves exibem capacidade significativa de acumulação e retenção de carga durante o fluxo de alta velocidade. Descargas eletrostáticas podem inflamar o vapor de combustível. Quando a energia da descarga eletrostática é alta o suficiente, ela pode inflamar um vapor de combustível e uma mistura de ar. Combustíveis diferentes têm limites de inflamáveis diferentes e requerem níveis diferentes de energia de descarga eletrostática para acender.

A eletricidade estática é um grande perigo ao reabastecer uma aeronave.

               A descarga eletrostática durante o abastecimento com gasolina é um perigo presente nos postos de gasolina. Também ocorreram incêndios em aeroportos durante o reabastecimento de aeronaves com querosene. Novas tecnologias de aterramento, o uso de materiais condutores e a adição de aditivos antiestáticos ajudam a prevenir ou dissipar com segurança o acúmulo de eletricidade estática.

O movimento de fluxo de gases em tubos por si só cria pouca ou nenhuma eletricidade estática. Prevê-se que um mecanismo de geração de carga ocorre apenas quando partículas sólidas ou gotículas de líquido são transportadas na corrente de gás.

Na exploração espacial

           Devido à umidade extremamente baixa em ambientes extraterrestres, cargas estáticas muito grandes podem se acumular, causando um grande risco para a eletrônica complexa usada em veículos de exploração espacial. A eletricidade estática é considerada um perigo particular para os astronautas em missões planejadas à Lua e Marte. Caminhar sobre um terreno extremamente seco pode fazer com que eles acumulem uma quantidade significativa de carga; estender a mão para abrir a eclusa de ar em seu retorno pode causar uma grande descarga estática, potencialmente danificando componentes eletrônicos sensíveis.

Craqueamento do Ozônio

ozônio em tubos de borracha natural

           Uma descarga estática na presença de ar ou oxigênio pode criar ozônio. O ozônio pode degradar as peças de borracha. Muitos elastômeros são sensíveis à quebra do ozônio. A exposição ao ozônio cria rachaduras penetrativas profundas em componentes críticos, como juntas e anéis de vedação. As linhas de combustível também são suscetíveis ao problema, a menos que sejam tomadas medidas preventivas. As medidas preventivas incluem adicionar antiozonantes à mistura de borracha ou usar um elastômero resistente ao ozônio. Os incêndios de linhas de combustível rachadas têm sido um problema para os veículos, especialmente nos compartimentos do motor, onde o ozônio pode ser produzido por equipamentos elétricos.

Energias envolvidas

           A energia liberada em uma descarga de eletricidade estática pode variar em uma ampla faixa. A energia em joules pode ser calculada a partir da capacitância (C) do objeto e do potencial estático V em volts (V) pela fórmula E = ½CV2. Um experimentador estima a capacitância do corpo humano em até 400 picofarads e uma carga de 50.000 volts, descarregada, e. durante o toque em um carro carregado, criando uma faísca com energia de 500 milijoules. Outra estimativa é de 100–300 pF e 20.000 volts, produzindo uma energia máxima de 60 mJ. IEC 479-2: 1987 afirma que uma descarga com energia superior a 5000 mJ é um risco sério direto para a saúde humana. A IEC 60065 afirma que produtos de consumo não podem descarregar mais de 350 mJ em uma pessoa.

               O potencial máximo é limitado a cerca de 35–40 kV, devido à descarga corona que dissipa a carga em potenciais mais elevados. Potenciais abaixo de 3.000 volts normalmente não são detectáveis por humanos. O potencial máximo comumente alcançado no corpo humano varia entre 1 e 10 kV, embora em condições ideais até 20–25 kV possa ser alcançado. A baixa umidade relativa aumenta o acúmulo de carga; caminhar 20 pés (6 m) em piso de vinil com 15% de umidade relativa causa aumento de tensão de até 12 kV, enquanto com 80% de umidade a tensão é de apenas 1,5 kV.

Apenas 0,2 milijoules podem representar um risco de ignição; essa energia de faísca baixa costuma estar abaixo do limiar da percepção visual e auditiva humana.

As energias de ignição típicas são:

• ·        0,017 mJ para hidrogênio,
• ·        0,2-2 mJ para vapores de hidrocarbonetos,
• ·        1–50 mJ para poeira inflamável fina,
• ·        40–1000 mJ para poeira inflamável grossa.

A energia necessária para danificar a maioria dos dispositivos eletrônicos [especificar] está entre 2 e 1000 nanojoules.

Uma energia relativamente pequena, muitas vezes tão pequena quanto 0,2–2 milijoules, é necessária para inflamar uma mistura inflamável de um combustível e ar. Para os gases e solventes de hidrocarbonetos industriais comuns, a energia de ignição mínima necessária para a ignição da mistura vapor-ar é mais baixa para a concentração de vapor aproximadamente no meio entre o limite explosivo inferior e o limite explosivo superior, e aumenta rapidamente conforme a concentração se desvia de este ótimo para ambos os lados. Aerossóis de líquidos inflamáveis podem ser inflamados bem abaixo de seu ponto de inflamação. Geralmente, aerossóis líquidos com tamanhos de partículas abaixo de 10 micrômetros se comportam como vapores, tamanhos de partículas acima de 40 micrômetros se comportam mais como pós inflamáveis. As concentrações inflamáveis mínimas típicas de aerossóis estão entre 15 e 50 g / m3. Da mesma forma, a presença de espuma na superfície de um líquido inflamável aumenta significativamente a inflamabilidade. O aerossol de poeira inflamável também pode ser inflamado, resultando em uma explosão de poeira; o limite explosivo inferior geralmente fica entre 50 e 1000 g / m3; pós mais finos tendem a ser mais explosivos e requerem menos energia da faísca para detonar. A presença simultânea de vapores inflamáveis e poeira inflamável pode diminuir significativamente a energia de ignição; apenas 1% em volume de propano no ar pode reduzir em 100 vezes a energia de ignição necessária para a poeira. Conteúdo de oxigênio mais alto que o normal na atmosfera também reduz significativamente a energia de ignição.

Existem cinco tipos de descargas elétricas:

• ·        Spark, responsável pela maioria dos incêndios e explosões industriais envolvendo eletricidade estática. As faíscas ocorrem entre objetos em diferentes potenciais elétricos. Um bom aterramento de todas as peças do equipamento e precauções contra o acúmulo de carga no equipamento e no pessoal são usados como medidas de prevenção.
• ·        A descarga da escova ocorre a partir de uma superfície carregada não condutiva ou de líquidos não condutores altamente carregados. A energia é limitada a cerca de 4 milijoules. Para ser perigoso, a tensão envolvida deve estar acima de cerca de 20 quilovolts, a polaridade da superfície deve ser negativa, uma atmosfera inflamável deve estar presente no ponto de descarga e a energia de descarga deve ser suficiente para a ignição. Além disso, como as superfícies têm uma densidade de carga máxima, uma área de pelo menos 100 cm2 deve ser envolvida. Isso não é considerado um perigo para nuvens de poeira.
• ·        A descarga da escova de propagação é altamente energética e perigosa. Ocorre quando uma superfície isolante de até 8 mm de espessura (por exemplo, um teflon ou revestimento de vidro de um tubo de metal aterrado ou um reator) é submetida a um grande acúmulo de carga entre as superfícies opostas, agindo como um capacitor de grande área.
• ·        A descarga do cone, também chamada de descarga de escova de volume, ocorre sobre superfícies de pós carregados com resistência acima de 1010 ohms, ou também profundamente na massa do pó. Descargas de cone geralmente não são observadas em volumes de poeira abaixo de 1 m3. A energia envolvida depende do tamanho do grão do pó e da magnitude da carga, podendo atingir até 20 mJ. Volumes maiores de poeira produzem energias mais altas.

Aplicação

Eletricidade estática é comumente usada em xerografia, filtros de ar (particularmente precipitadores eletrostáticos), pulverizadores de tinta, testes de pó.

Ver também

• Eletricidade
• Estática
• Eletrostática
• Tales de Mileto