Esquema de la configuración experimental. Se muestra un circuito eléctrico equivalente en la esquina superior derecha. La carga se "divide" entre la capacidad con la placa superior e inferior. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abg7595
Un nuevo informe sobre Avances de la ciencia desarrollado por Mirco Kaponig y sus colegas en física y nanointegración en Alemania, detalló el concepto muy básico de electrificación por contacto entre dos metales. En un nuevo método experimental, los investigadores siguieron la carga de una pequeña esfera que rebotaba en un electrodo plano conectado a tierra en una escala de tiempo de hasta 1 microsegundo. El equipo notó cómo la esfera se descargaba en el momento del contacto que duraba de 6 a 8 microsegundos. En el momento de la interrupción del contacto eléctrico, la esfera recuperó la carga mucho más allá de las expectativas en relación con la diferencia de potencial de contacto. El exceso de carga surgió al aumentar el área de contacto.
Electrificación de contacto
La electrificación por contacto es un fenómeno ubicuo que ocurre cuando dos superficies se tocan. El proceso es un método elemental de triboelectricidad que se puede observar directamente en la vida diaria. El fenómeno es responsable de los relámpagos en las tormentas eléctricas, tormentas de arena o columnas volcánicas. El proceso puede ser de gran preocupación cuando se manejan líquidos o polvos potencialmente explosivos. Como resultado, Los investigadores han establecido normas de seguridad empíricas para evitar los peligros provocados por las descargas eléctricas a través de la carga triboeléctrica. Aunque el fenómeno se describió durante más de 2000 años, los mecanismos subyacentes aún se debaten. Los científicos suelen considerar tres tipos de transferencia de carga, incluida la transferencia de electrones, iones o material con carga parcial. En contactos metal-metal, los electrones se pueden transferir entre dos superficies para establecer el potencial de contacto. La cantidad de carga transferida también dependía de la capacidad mutua cuando se interrumpe el contacto eléctrico, y la transferencia de carga observada apoyó fuertemente el concepto de transferencia de electrones para contactos metal-metal. La situación es menos obvia para los contactos metal-aislante o aislante-aislante. Kaponig y col. por lo tanto, presentó una nueva técnica experimental para analizar la transferencia de carga durante la electrificación por contacto, con una resolución sin precedentes.
Medida de la carga en la placa inferior del condensador y cantidades derivadas. (A) La señal medida en la placa inferior superpuesta a una simulación de acuerdo con las Ecs. 1 y 3. Muestra una concordancia perfecta, excepto al principio y en la parte superior de la primera parábola debido a la distorsión del campo en las proximidades del orificio de entrada, que no se incluye en la descripción numérica. En la escala dada, el ruido de la señal es apenas visible. El histograma en la esquina superior derecha muestra la carga en la esfera entre los contactos. (B) La posición vertical de la esfera que rebota en la placa derivada de los tiempos de contacto. (C) El potencial calculado de acuerdo con la Ec. 4. en el estudio revela que la esfera puede alcanzar un voltaje de hasta 10 V. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abg7595
El trabajo reveló cómo el potencial eléctrico de una partícula metálica que rebota en una superficie metálica evolucionó con el tiempo. Basado en los resultados, Kaponig y col. notó cómo la carga aumentaba con la velocidad del impacto en los contactos metal-metal; una característica comúnmente observada con contactos de metal-aislante y aislante-aislante pero que no se observa en los contactos de metal-metal. Durante los experimentos, esto condujo a potenciales eléctricos inesperadamente altos para contactos puramente metálicos. Dado que el contacto eléctrico solo se estableció durante unos pocos microsegundos durante el contacto mecánico, el proceso no retuvo los parámetros de la carga antes del contacto. Por lo tanto, el potencial de la esfera solo se redujo al potencial de contacto de unas pocas décimas de voltio. Cuando el contacto eléctrico se desprendió de la superficie, sin embargo, la carga en la esfera estableció un potencial de hasta 3 V durante menos de 1 microsegundo.
Transferencia de carga
Detalles del primer y segundo contacto desde aproximadamente 100 μs antes y 100 μs después del contacto. (A) La carga medida y simulada, así como el potencial derivado para el primer contacto. La desviación marcada con * se debe a la “respuesta mecánica” de la placa tras el impacto de la esfera. La línea horizontal corresponde a la carga inicial de la esfera o el punto cero del potencial. Las líneas verticales discontinuas indican el intervalo de tiempo del contacto mecánico. La meseta de la señal corresponde al contacto eléctrico. Los recuadros dibujan la distribución de carga en la esfera y las placas. El tamaño relativo de la esfera está muy exagerado. La deformación es esquemática; en realidad, tanto la esfera como la superficie están deformadas. (B) La altura correspondiente de la esfera. El movimiento antes y después del contacto es casi lineal en la escala de tiempo corto. (C) La capacidad calculada antes y después del contacto por la línea verde. Durante el contacto, un valor tentativo proporcional al área de contacto se traza con la línea roja discontinua. La flecha señala el valor de la capacidad en el mismo momento en que se rompe el contacto eléctrico. Se supone que la capacidad se mejora en relación con la geometría ideal debido a la deformación del área de contacto al crear superficies adyacentes relativamente grandes. (D) La carga medida y calculada, así como el potencial derivado para el segundo contacto. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abg7595
Los científicos habían estudiado previamente la transferencia de carga de partículas que rebotan en una superficie inclinada basándose en la detección electrostática sin contacto. Kaponig y col. por lo tanto, desarrolló un esquema experimental para medir la carga antes y después del contacto con la superficie para seguir la dinámica en tiempo real. En la configuración, obtuvieron una resolución mejor que 1 microsegundo en el tiempo para unos 6000 electrones. Estudiaron el movimiento y la electrificación por contacto dejando caer esferas de oro de 1 mm de diámetro a través de un pequeño orificio en un condensador de placas paralelas. Las esferas rebotaron en una placa inferior virtualmente conectada a tierra, permitiendo a los científicos medir las cargas inducidas y transferidas. El equipo realizó los experimentos al vacío. La señal detectada en la placa inferior de la configuración tuvo dos contribuciones, incluida la carga en la esfera y la carga transferida a la esfera. El equipo notó la señal de visualización de una esfera de oro que rebota más de 15 veces en la placa inferior del condensador de cobre. la trayectoria de la esfera consistió en segmentos de caída libre, comenzando y completando a través del contacto con la placa.
Cuando Kaponig et al. inspeccionó de cerca la señal, identificaron los momentos de contacto mediante cambios bruscos de la carga medida. Observaron cómo el tiempo transcurrido entre dos contactos determinaba el segmento de la trayectoria. A continuación, el equipo aplicó un voltaje en la rampa para guiar la esfera a la entrada del condensador, donde la esfera se cargó positivamente antes de entrar en el condensador y se cargó negativamente durante el primer contacto. La magnitud observada de la carga fue inesperadamente alta. Luego, los investigadores repitieron el experimento con diferentes cargas iniciales, donde la esfera se cargó negativamente en el primer contacto y en el siguiente. Otra clave para comprender la electrificación por contacto incluía el potencial de la esfera. Basado en la alta magnitud de la carga en la esfera, el equipo notó un potencial de varios voltios inesperadamente alto para un sistema puramente metálico. El contacto eléctrico solo se estableció como contacto mecánico durante unos pocos microsegundos. Por tanto, el potencial de la esfera se redujo al potencial de contacto de unas pocas décimas de voltio. A medida que aumentaba la distancia entre la esfera y el plato, el potencial aumentó aún más.
panorama
El equipo describió las observaciones utilizando un modelo de contacto metálico en el que el área de contacto se elevó para el primer contacto, seguido de una enorme capacidad formada en la interfaz debido a la distancia mínima entre las cargas. Esta capacidad cargada al potencial de contacto en el orden de picoculombios. Al romperse el contacto, las dos superficies adyacentes de la placa y la esfera encajan casi cómodamente para formar un área grande con una separación cercana y una mayor capacidad, donde el tamaño del área dependía de la velocidad de la esfera. De este modo, Mirco Kaponig y sus colegas mostraron cómo una esfera metálica que rebotaba en una placa de metal alcanzaba un potencial de hasta 10 V, debido a una deformación del área de contacto. Esto condujo a una mayor capacidad entre la esfera y la placa tras la interrupción del contacto eléctrico. Los resultados son importantes para la electrificación por contacto y la triboelectricidad para mejorar la transferencia de carga.
© 2021 Science X Network