Carga
29 jun, 2013
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PDFEfectos triboeléctricos
PRESENTACIÓN: Los efectos triboeléctricos se usan para definir el signo de las cargas. Una barra de vidrio frotada con piel tiene carga positiva y una barra de plástico frotada con lana tiene carga negativa. Esos efectos se ponen de manifiesto mediante la suspensión de esas barras y observando los procesos de atracción-repulsión.
- The Ionic Hair Dryer, Jason English, Phys. Teach. 45, 458 (2007)
INTRODUCCIÓN: La naturaleza está compuesta por átomos y estos a su vez por partículas subatómicas, algunas de ellas con carga eléctrica. La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Después de haber sido electrizados ejercen entre sí fuerzas de atracción o de repulsión. Estas acciones se observan en objetos en estado sólido, líquidos y gases. Ejemplos: agua, plásticos, metales, vidrio o caucho, …
OBJETIVO: Experimentar el fenómeno de electricidad estática haciendo rotar una “hélice”.
MATERIALES: globo, base de madera, elemento giratorio, tabla pequeña de madera, paño.
MONTAJE: Necesitaremos una base de madera para colocar el elemento pivotante de manera que quede vertical formando 90º con la estructura. Al elemento giratorio, que gira 360º rotando de forma horizontal, le adheriremos la regla.
EXPLICACIÓN: La electrización es el fenómeno por el cual los cuerpos adquieren carga eléctrica. En todo proceso de electrización, los electrones que gana un cuerpo los pierde otro, pero no se crean electrones nuevos. La carga eléctrica total es constante. La carga eléctrica se conserva.
CONCEPTOS: carga eléctrica, electrización, electrostática.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- F.W. Sears, M.W. Zemansky, H.D. Young, R.A. Fredman, Física Universitaria, Pearson, 2010.
ALUMNADO 2012-2013: Antonio Larramendi, Enrique Braña, Pablo Hermida
ENLACE pdf ALUMNADO:
31 responses to "Carga"
Tales de Mileto en la antigüedad ya registró este fenómeno (el efecto triboeléctrico), sugiriendo de esta forma la palabra «electricidad» que proviene de la denominación del ámbar en griego: «electrón». Este material, el ámbar, puede adquirir una carga eléctrica por el contacto y la separación (respectivamente fricción) con un material como la lana,
Acabo de leer más sobre este efecto y me ha llamado la atención la importancia que tiene en la seguridad de la actividad industrial.
Además, he visto aplicaciones muy curiosas y útiles, entre ellas la de conseguir un generador de energía que funcionase solo por fricción gracias fundamentalmente a este efecto. Se comenta en este blog.
El efecto triboeléctrico es el que provoca que en ocasiones suframos pequeñas descargas eléctricas sin ninguna causa aparente. Y es que este efecto es más cotidiano en nuestro día a día de lo que pensamos, el simple hecho de frotarnos contra el asiento del coche y seguidamente tocar un material conductor de la electricidad puede causarnos una descarga eléctrica considerable. Este experimento suele combinarse otro tipo de fundamentaciones físicas como la polarización o la electrostática.
Otro ejemplo del efecto son los calambrazos que recibimos al cerrar el coche, en Galicia sobre todo en verano o cuando no llueve, debido a la diferencia de cargas entre el coche y nosotros. Al parecer el rozamiento del aire hace que el coche se cargue electrostáticamente y por el rozmiento de nuestro cuerpo sobre la tapicería. La mejor solución para evitarlo es tocar la parte de metal del coche, el techo, mientras estamos aún dentro. Hace años los coches tenían colgando del parachoques trasero unas gomas con un hierro por dentro y un catadióptrico que era muy molón pero no creo que realmente cumplieran su función
En el siguiente artículo se explica como con un boli, un plato de albal, una chincheta, un calcetín de lana y poliestireno se puede fabricar un rayo que puede verse, con la luz apagada, y oirse si la gente está caladiña.
Como ya se comentó anteriormente el efecto triboeléctrico es la electrificación que se produce cuando se ponen en contacto dos materiales de diferente carga según su posición en la serie triboeléctrica. Cuanto más alejados se encuentren esos materiales en dicha serie mayor será la carga transferida y por tanto el efecto de electrificación será de mayor intensidad. Uno de los riesgos asociados a este fenómeno es el de la inflamación de determinados vapores, como la gasolina, por medio de la chispa que se produce. Hace algunos años se advirtió de este riesgo por la televisión a raíz de un vídeo en el que se veía como una conductora al repostar gasolina sufría este fenómeno. Cuando nos frotamos las manos en un jersey, nuestra piel adquiere cargas eléctricas (ver que la piel humana se sitúa en el extremo positivo de la serie triboeléctrica), y al coger la manguera de goma (en la parte negativa de la serie) se produce el proceso de electrificación que genera una chispa y se inflaman los vapores de la gasolina (ver explicación más completa).
Un estudio internacional, publicado en la revista Nature Communications, presentó un dispositivo que aprovecha movimientos ambientales, como la brisa suave, la corriente de agua de un grifo y el movimiento del cuerpo, en energía eléctrica. El dispositivo, llamado generador triboeléctrico rotatorio, se basa en una tecnología eficiente y de bajo coste. Interesante!
Este tipo de experimentos en los que se pretende explicar algún tipo de fenómeno que se produce de forma frecuente en la vida cotidiana me parecen muy interesantes para realizar con alumnos, por ejemplo, de educación secundaria, sobre todo, en los primeros cursos. Sería curioso plantear en la clase ciertas cuestiones, como por ejemplo, si saben a qué se debe el chisporroteo que se escucha cuando se quitan un jersey de lana o por qué en ocasiones cuando cierras la puerta del coche te da un chispazo. Además, se podría ir un poco más lejos y pedir a la clase que realizaran un electroscopio casero con el objetivo de determinar las cargas positivas o negativas presentes en los objetos.
Las experiencias propuestas son muy interesantes ya que nos ayudan a comprender porque a veces sufrimos pequeñas descargas eléctricas sin motivo, por ejemplo, al salir del coche. Pero lo que a me ha llamado la atención, a raíz del comentario de Romina sobre el generador triboeléctrico rotatorio, son las posibles aplicaciones tecnológicas. Este efecto es así la base de los conocidos como nanogeneradores triboeléctricos o TENG. Estos dispositivos se podrían instalar en mochilas o en “ropa inteligente” y aprovechar fuentes de triboelectricidad como el propio movimiento biomecánico del cuerpo, frotar materiales o incluso el movimiento del cabello en el aire. La energía generada se podría utilizar para la carga de pequeños dispositivos, o lo que es lo mismo, nunca más nos quedaríamos sin batería en el móvil. En este reciente artículo en Nature podéis encontrar más información.
Un experimento casero muy llamativo es el de la curvatura de un pequeño flujo de agua del grifo. Con un peine que previamente se frota o se pasa por el pelo, o un globo, se acerca al agua y se ve cómo ésta se curva. En este enlace se puede leer más sobre esta experiencia.
Una interesante máquina, cuyo funcionamiento se basa en el efecto triboéletrico, es el generador de Van de Graaff. Este generador electrostático fue desarrollado por el físico americano Robert Van de Graaff en 1929 con el objetivo de utilizarlo para la aceleración de partículas en experimentos de física nuclear. Posteriormente, además de la experimentación en física nuclear, se han empleado modernos generadores de Van de Graaff para aplicaciones tales como la generación de rayos X o la esterilización de alimentos. Además, a pequeña escala, los generadores de Van de Graaff suponen una interesante herramienta educativa para la enseñanza de los principios de la electrostática. En este artículo académico de A. J. Martins y H. M. Pinto (Universidade do Minho), se diseña un generador de Van de Graaff de uso educativo.
Tribología, del griego τρίβω tríbō, «frotar o rozar», es la ciencia de lo que ocurre cuando frotas dos cosas. Una de las primeras demostraciones de este fenómeno fue el experimento del “niño volador” realizado por Stephen Gray, físico y científico natural inglés, alrededor de 1720.
Gray escogía a un niño y lo alzaba con delgados cordones de seda hasta que quedaba suspendido en el aire. A continuación ponía sus pies sobre una bola de sulfuro que rotaba, de manera que lo cargaba con electricidad estática. Finalmente realizaba algunos experimentos, como coger un libro y decir al niño que pusiera su mano sobre las páginas sin tocarlas, de forma que éstas se pasaban solas. Como broche final de su espectáculo, Gray apagaba la luz y pedía a un miembro de la audiencia que fuera a tocar al niño: entre ellos se producía un rayo.
Buscando información en la web sobre el experimento del niño volador en español, me encontré con este link a un blog, que propone hacer volar hombrecillos de papel – algo más light que el experimento de Gray 🙂 y sbre todo entretenido, para hacer en casa con los peques.
Al hilo del comentario de Xoana sobre los nanogeneradores, el articulo adjunto detalla el descubrimiento de cómo utilizar la electricidad estática para recargar los móviles mediante nanomateriales que utilizan el efecto triboeléctrico. Gracias a la nanotecnología, un equipo de investigadores ha podido desarrollar un nanogenerador triboeléctrico que es capaz de recuperar y utilizar electricidad estática para las baterías de los dispositivos móviles. La fricción entre los dedos y la pantalla del móvil, o la fricción entre la muñeca y el reloj inteligente (smartwatch), incluso la fricción entre el zapato y el suelo, son grandes fuentes de energía potencial que podrían ser explotadas permitiendo reducir la necesidad de fuentes de energía convencionales. El hallazgo podría ayudar a las empresas de tecnología a crear fuentes de energía más sostenibles y duraderas para pequeños dispositivos electrónicos.
O estudo do reino animal lévanos a atopar enxeñosas estratexias coas que os seres vivos se adaptan ao medio. Buscando información sobre o fenómeno presentado neste post atopeime cunha curiosidade que faime pensar na evolución como o mellor centro de I+D+i da Terra. Investigadores da Universidade de Oxford descubriron, tras estudiar as arañeiras da araña Araneus diadematus, que os fíos destas estruturas están recubertos por unha sustancia adherente capaz de conducir a electricidade. Este recubrimento permite que as arañeiras atrapen todas as partículas con carga eléctrica de maneira activa, a arañeira pode deformarse cara estes obxectos cargados, atrapándoos na súa rede. Os investigadores propoñen que poderían utilizarse estas redes como detectores de contaminantes ambientais. As arañas reciclan as súas redes coméndoas e inxerindo calquera sustancia química que estas atraparan. Coñecendo que as arañas crean redes de diferente estrutura cando están sometidas a diferentes drogas (LSD ou cafeína) o estudo da súa forma podería indicarnos a presencia de contaminantes que alteren o comportamento do animal. (artículo )
+info
Típico experimento que describe a la perfección el fenómeno que ocurre. De hecho, la carga producida por el rozamiento está en nuestro día a día, en esas pequeñas descargas que sufrimos a veces sin motivo aparente. En este caso podría servir como introducción al tema de cargas electroestáticas.
El efecto triboelétrico está en nuestro día a día, y también en nuestro futuro. En las últimas décadas uno de los campos de investigación de la Física aplicada y la Ingeniería de materiales son los autogeneradores triboeléctricos (TENGs): dispositivos para convertir la electricidad estática en energía eléctrica. Se abren múltiples posibilidades de aplicación con el desarrollo de esta tecnología: cargar el móvil, sensores autoalimentados, ropa con la que generar electricidad con la fricción del movimiento, estaciones meteorológicas en ubicaciones remotas que funcionen con un nanogenerador triboeléctrico basado en nieve. Este blog y esta noticia pueden servir para introducir los conceptos. En este artículo se presentan de manera detallada los fundamentos, experimentos y aplicaciones de los nanogeneradores triboeléctricos.
Muy interesante! Personalmente no conocía esta clase de experiencias. Es la primera vez que escucho hablar de los efectos triboeléctricos. Me resulta muy interesante saber que existen estas referencias para conocer si la carga global de un objeto resulta positiva o negativa ya que en ocasiones usamos experiencia relacionadas con la electricidad estática pero sin llegar a conocer si el balance de carga es uno u otro. Sin duda podremos usar esta clase de efectos para dar explicaciones más precisas a experimentos y experiencias, por ejemplo, uno que realicé recientemente sobre la campana de Franklin.
Esto me ha recordado a lo que me pasa a mi al peinarme… tengo el pelo teñido y muy fino… y cada vez que me peino ZAASS!!! super electricidad estática. Un horror… Hay muchos productos para intentar evitar la electricidad estática en el pelo… pero mirad que he encontrado chicas! jajajaj sencillo y simple!!!!
Ingenioso, sencillo, muy interesante y de bajo presupuesto ideal para institutos. Fácil de presentar en el aula y muy fácil de hacer por los propios alumnos. Es el tipo de actividad manipuladora que se puede realizar en cualquier momento ya que no requiere temas complicados y no lleva mucho tiempo.
Neste vídeo dunha clase do profesor Walter Lewin móstranse os efectos da electrostática con obxectos tan cotidiáns coma os mostrados (peite, globo ou unha variña)
Como experiencia personal comentar que no meu caso estes conceptos explicaronmos teóricamente, dando pé unicamente á memorización ca finalidade de aprobar o exame sen telo entendido de todo. Así mesmo, este experimento paréceme moi sencillo para facilitar ao alumnado a comprensión do funcionamento da electricidade estática, mesmo eles o poden levar a cabo na casa e explicarllo aos convivientes. Pdt: moitas grazas Paula polo vídeo!!! Espero que me funcione!
Como ya se ha visto en comentarios anteriores, las nuevas líneas de investigación sobre el efecto triboeléctrico están enfocadas en sus aplicaciones ya que se consideran fuentes limpias de energía. Además de los TENGs comentados con anterioridad, se estudian las aplicaciones en tejidos textiles. Es por ello que entre las aplicaciones del efecto triboeléctrico destacan las siguientes:
Suelos con una capa triboeléctrica conectados a dispositivos IoT
Sensores en ropa inteligente para medir señales vitales
Zapatos capaces de monitorizar el ejercicio físico
Sensores autónomos como detectores de incendios forestales
Sensores táctiles
Sensores de polvo y partículas
Alimentación de LED
Está claro que esta lista de aplicaciones se verá incrementada con el paso del tiempo y que los TENGs formarán a pasar parte de nuestro mundo.
Los efectos de la electricidad estática pueden parecer algo sin importancia, pero como ya han mencionado en algún comentario, pueden ser críticos en ambientes industriales donde es posible la presencia de una mezcla de gases inflamables en el ambiente, como por ejemplo una refinería. En el siguiente vídeo se habla acerca de este problema, así como los factores que incrementan el riesgo (como la resistencia eléctrica entre la persona y el suelo o la humedad en el ambiente). También se habla acerca del funcionamiento del calzado antiestático, el cual conduce la electricidad desde la persona hacia el suelo, eliminando el desbalance de cargas y por tanto la presencia de electricidad estática en la ropa.
La carga electroestática es un fenómeno que puede resultar útil (la eliminación de polvo con las toallitas para pantallas, en la impresión offset para transferir la tinta del rodillo de impresión al papel, para la protección contra rayos en los pararayos activos o la generación de luz en dispositivos electrónicos como los ebooks) sin embargo la electricidad estática puede ser perjudicial para la salud. Esto se puede ejemplificar con el caso del Síndrome del Edificio Enfermo en la Ciudad de Telefónica: “A principios del 2007 una enfermedad prácticamente desconocida afectó a numerosos trabajadores de varios edificios catalanes: la lipoatrofia semicircular. Resulta que a cientos de ellos les aparecieron unas marcas redondas -sobre todo en la parte frontal de los muslos- que luego se constató estaban provocadas por las radiaciones electromagnéticas que sufrían en sus puestos de trabajo.” Uno de los indicios sobre las causas apuntan al sometimiento de cargas electroestáticas de los trabajadores de los edificios. Los elementos constructivos de los edificios realizaban un efecto de aislamiento ya que tanto las paredes generalmente de pladur (aislante), los suelos técnicos (aislante) y los falsos techos (aislante) impedían que los trabajadores no pudiesen “poner a tierra” en ningún momento mientras que estos reciben carga electroestática de equipos electrónicos e informáticos, las corrientes de aire de splits de aire acondicionado, el roce con la moqueta…y esto provocaba que los trabajadores desarrollaban atrofia del tejido adiposo subcutáneo en forma de semicírculos.Este efecto se englobaría dentro de aquellos que categoricen al edificio con el Síndrome de Edificio Enfermo reconocido por el Instituto Nacional de Higiene y Salud (INHS).
Recuerdo un experimento similar con un generador de Van de Graaff. Se acumulaba carga eléctrica que producía una repulsión en los pelos de una alumna. Adjunto un vídeo ilustrativo.
Este tipo de experimentos teñen que resultar moi atractivos para o alumnado, porque se trata dun efecto que practicamente calquera viviu algunha vez (chispas, pequenas descargas), e sempre estimula entender as causas. Buscando máis información sobre o efecto triboeléctrico atopei esta páxina que fala de nanoxeradores triboléctricos que aproveitan este efecto para alimentar sensores (de tacto, torsión, estiramento,…) en miniatura. Non me deixa de sorprender como unhas cousas poden levar a outras do máis insospeitado.
El efecto triboeléctrico no es más que lo que conocemos como energía estática, y en las útimas investigaciiones están descubriendo nuevas formas de aprovecharla.
Aplicaciones del efecto triboeléctrico, podrían ser: sensores de ropa inteligente para medir señales vitales, zapatos capaces de monitorizar el ejercicio físico, sensores autónomos como detectores de incendios forestales, sensores táctiles, alimentación led, ..
Non coñecía nada sobre os efectos triboeléctricos e parécenme moi curiosos os experimentos citados, penso que en educación pode dar moito xogo para sorprender aos nenos coma se de maxia se tratase. Existen numerosos experimentos sinxelos que se poderían facer na aula, paréceme interesante o primeiro exemplo e trabállanse diferentes destrezas e conceptos físicos interesantes como as cargas, a enerxía electrostática, etc.
El efecto triboeléctrico (del griego «tribo» que significa frotar) es el mismo que hace que, cuando frotamos un globo en nuestro pelo, el pelo se levante atraido por el globo. Al frotar el globo recoge electrones liberados por las moléculas de queratina que forman el pelo. Por tanto, el pelo se carga positivamente y el plástico del globo, de forma negativa. Las cargas opuestas se atraen y el pelo se levanta en dirección al globo. Ejemplificar esto en el aula así es muy sencillo y sería fácil de hacer con material muy simple.
El estudio del campo eléctrico suele resultar complicado para los alumnos, por eso romper con la rutina e introducir una actividad de este tipo ayuda a romper la rutina y acercar a los alumnos a la realidad. De hecho, este es un ejercicio divertido y fácil de hacer en en clase, donde ver de primera mano la interacción de las cargas, concretamente su atracción y repulsión.
Tras ver los videos, investigué y descubrí que la electricidad estática tiene su propio día internacional, el 9 de enero, dedicado a destacar su importancia en nuestra vida diaria. Esta fecha es una oportunidad para explorar y apreciar este fenómeno natural que a menudo pasa desapercibido. Aunque puede ser sorprendente e incluso incómodo en ciertas situaciones, la electricidad estática nos recuerda la fascinante complejidad de la física que nos rodea. A pesar de que no se conoce con certeza por qué se eligió esta fecha, se sugiere que se debe a que durante el invierno en el hemisferio norte, las manifestaciones de descargas estáticas son más frecuentes debido a la baja humedad del aire. Una curiosidad interesante que quiero compartir es que la electrización por frotamiento no solo ocurre con materiales comunes como globos y lana, sino que también se manifiesta en fenómenos naturales. Un ejemplo poderoso es el rayo, una descarga natural de electricidad estática. Dentro de las nubes de tormenta, violentas corrientes de aire ascendente y descendente arrastran partículas de hielo y agua subfundida. Estas colisiones cargan negativamente las partículas más pesadas, que se acumulan en la base de la nube, mientras que las más livianas adquieren una carga positiva y se sitúan en la parte superior. Esta separación de cargas genera una diferencia de potencial eléctrico que eventualmente provoca una descarga en forma de rayo.