Electricitatea statică

Electricitatea statică este omniprezentă în viaţa noastră. O putem găsi peste tot în jurul nostru, uneori într-un mod amuzant și evident, ca atunci când constatăm că ne face părul măciucă – la propriu, alteori într-un mod util și mai puțin evident, ca atunci când aceasta este utilizată de componentele electronice din telefoanele noastre.

În lunile de iarnă, atunci când aerul este uscat, observăm o scădere a electricităţii statice, adică micile descărcări electrice care se produc atunci când atingem mânerele unor uşi sau păturile calde din uscătorul de rufe.

Efectul electricității statice. Credit: Ken Bosma, CC BY

Electricitatea statică este unul dintre primele fenomene pe care oamenii le-au observat și descris. Filosoful grec Thales din Milet a menţionat, pentru prima dată, în scrierile sale din secolul al VI î.Hr. că dacă chihlimbarul este frecat suficient de intens, atunci mici particule de praf se vor lipi de el.

Trei sute de ani mai târziu, Theophrastus a continuat experimentele lui Thales şi a constatat, de asemenea, apariţia unui „efect de atracţie” în urma frecării unor tipuri diferite de piatră. Cu toate acestea, niciunul dintre acești filosofi „naturaliști” nu a găsit o explicație satisfăcătoare pentru ceea ce au observat.

Până la apariţia termenului „electricitate” au mai trecut aproape 2.000 de ani. Cuvântul electricitate provine din „electricus”, care în latină înseamnă „chihlimbar”. Unele dintre cele mai cunoscute experimente au fost realizate de către Benjamin Franklin, în urma încercărilor sale de a înțelege mecanismul de bază al electricităţii. Acesta este şi unul dintre motivele pentru care Benjamin Franklin ne zâmbește de pe bancnota de 100 de dolari americani.

Nu a mai trecut mult timp până când oamenii au înţeles potenţialele utilizări ale electricității statice. Desigur, în secolul al 18-lea electricitatea statică a fost utilizată mai mult pentru a realiza unele trucuri de magie sau diferite spectacole.

Un exemplu în acest sens este „experimentul băiatului zburător” al lui Stephen Gray, care în acea perioadă a devenit o demonstrație publică populară. Stephen Gray a folosit o butelie Leyda pentru a încărca cu electricitate „băiatul zburător”, suspendat de fire de mătase, care astfel putea răsfoi paginile unei cărţi prin intermediul electricității statice sau chiar putea ridica mici obiecte folosind doar atracția electrostatică.

„Experimentul băiatului zburător” al lui Stephen Gray.

Pe baza observaţiilor lui Franklin, inclusiv pe descoperirile acestuia că sarcina electrică poate fi pozitivă și negativă și că sarcina electrică totală se conservă, în prezent cunoaştem cauza apariţiei atracției electrostatice și cum poate fi utilizată electricitatea statică în cadrul tehnologiilor moderne.

Ce sunt aceste mici scântei?

Atracția și respingerea electrostatică se datorează forţelor de interacţiune dintre sarcinile electrice. La scara atomică, sarcinile electrice negative sunt purtate de mici particule elementare denumite electroni. Majoritatea electronilor se află în interiorul materiei, indiferent că este vorba de o piatră, lipsită de viață, sau de țesutul moale, viu, al corpului nostru. Cu toate acestea, mulți electroni se află la suprafaţa fiecărui material şi dacă două materiale diferite sunt frecate între ele electronii pot fi smulși din materialul „mai slab” și ajung pe materialul cu o forță de atracţie a electronilor mai puternică.

Acest transfer de electroni, cunoscut drept scânteia electricităţii statice, se produce în permanenţă. Astfel de scântei apar atunci când copiii se dau pe tobogan, când mergem pe un covor şi picioarele noastre se freacă de acesta sau atunci când ne scoatem mănușile de lână.

Micile scântei provocate de electricitatea statică pot fi observate mai frecvent în lunile de iarnă, atunci când umiditatea aerului este foarte scăzută. Aerul uscat este un izolator electric, în timp ce aerul umed acționează ca un conductor electric. Din acest motiv electronii sunt legaţi mult mai puternic de suprafața corpurilor atunci când aerul înconjurător este uscat, spre deosebire de cazul în care aerul înconjurător este umed.

O scânteie de electricitate statică se produce atunci când un obiect cu un surplus de sarcini electrice negative, electroni, se apropie de un alt obiect cu un deficit de sarcini electrice negative şi astfel electronii în surplus „sar” de pe un obiect pe altul. Electronii trec de pe un obiect cu un exces de electroni, cum ar fi corpul nostru după ce am mers pe un covor de lână, pe următorul obiect pe care îl atingem şi care nu are un exces de electroni, cum ar fi clanța unei uși.

Descărcare electrică. Credit: Ibrahim Muhammed, CC-BY ND

Atunci când electronii nu au unde să se deplaseze, sarcina lor electrică se acumulează pe suprafaţa obiectelor până când atinge un maxim critic urmat de o descărcare electrică sub forma unui mic fulger.

Puterea micilor scântei

Deși enervante uneori, descărcările electrice provocate de electricitatea statică nu sunt de obicei periculoase. În anumite condiții, tensiunea electrică poate fi de aproximativ 100 de ori mai mare decât tensiunea electrică furnizată de o priză de curent obişnuită, dar aceste tensiuni mari nu sunt periculoase, deoarece tensiunea electrică este doar o măsură a diferenței de sarcină electrică între obiecte.

Curentul electric este însă periculos, deoarece acesta reprezintă cât de mulţi electroni trec de pe un obiect pe altul. Deoarece în cazul descărcărilor electrice provocate de electricitatea statică sunt transferaţi doar câțiva electroni, de obicei aceste scântei nu sunt periculoase.

Cu toate acestea, micile scântei pot fi fatale pentru anumite componente electronice sensibile, cum ar fi componentele hardware ale unui calculator. În acest caz chiar şi un curent de intensitate mică, cauzat de doar câțiva electroni, poate distruge anumite componente electronice.

Din acest motiv muncitorii din industria electronică trebuie să fie conectaţi la împământare, de obicei printr-un cablu, pentru a împiedica acumularea electricităţii statice pe corpul lor. În acest scop putem atinge şi obiecte din metal, deoarece metalele sunt materiale conductoare foarte bune și electronii trec cu uşurinţă către acestea.

O amenințare mult mai gravă o reprezintă descărcările electrice în apropierea gazelor inflamabile. De aceea trebuie să ne asigurăm că nu suntem încărcaţi cu electricitate statică atunci când atingem pompele din stațiile de alimentare cu gaz.

Putem purta şi braţări antistatice, care sunt utilizate pe scară largă de către muncitorii din industria electronică atunci când aceştia lucrează cu componente electronice foarte sensibile. Aceste brăţări previn acumularea electricităţii statice folosind o bandă conductoare care se leagă în jurul încheieturii.

Brățara antistatică. Credit: Wristband

În viața de zi cu zi, cea mai bună metodă împotriva acumulărilor de electricitate statică o reprezintă utilizarea umidificatoarelor care măresc umiditatea din aer. De asemenea, se recomandă și utilizarea cremelor hidratante pentru piele.

Nu în ultimul rând, hainele din bumbac și pantofii cu talpa din piele sunt o alegere mai bună decât hainele din lână și pantofii cu tălpi din cauciuc.

Valorificarea electricităţii statice

Multe aplicații de zi cu zi ale tehnologiei moderne se bazează pe electricitatea statică. De exemplu, fotocopiatoarele utilizează atracția electrostatică pentru a „lipi “particulele de toner, încărcate electric, pe hârtie, iar odorizantele de cameră elimină mirosurile neplăcute prin descărcarea electricității statice pe particule de praf.

Electricitatea statică reţine particulele poluante, înainte ca acestea să fie eliminate prin coşurile fabricilor. Credit: Ibrahim Muhammed, CC-BY ND

În mod similar, coșurile fabricilor moderne sunt prevăzute cu plăci conductoare de electricitate pentru a reduce poluarea prin colectarea particulelor, încărcate electric, care se deplasează prin coşurile de fum.

Electricitatea statică este utilizată, de asemenea, în nanotehnologie. Un exemplu în acest sens îl reprezintă manipularea atomilor individuali, prin intermediul unor fascicule laser, în cadrul unor aplicaţii din domeniul computerelor cuantice.

O altă aplicație interesantă din domeniul nanotehnologiei o reprezintă controlul unor nanocapsule a căror stare poate fi comutată, prin intermediul electricităţii statice, între o stare umflată și o stare pliată. Într-o bună zi aceste mașini moleculare ar putea livra medicamente în anumite ţesuturi din corpul uman.

După două milenii şi jumătate de la descoperirea ei, electricitatea statică are un rol important în viaţa noastră de zi cu zi datorită nenumăratelor sale aplicaţii.

Traducere şi adaptare după Static electricity’s tiny sparks