Um novo relatório sobre Avanços da Ciência desenvolvido por Mirco Kaponig e colegas em física e nanointegração na Alemanha, detalhou o conceito básico de eletrificação de contato entre dois metais. Em um novo método experimental, os pesquisadores seguiram a carga de uma pequena esfera quicando em um eletrodo plano aterrado em uma escala de tempo de 1 microssegundo. A equipe observou como a esfera descarregou no momento do contato com duração de 6 a 8 microssegundos. No momento da interrupção do contato elétrico, a esfera recuperou a carga muito além das expectativas em relação à diferença de potencial de contato. O excesso de carga surgiu com o aumento da área de contato.

Eletrificação de contato

A eletrificação de contato é um fenômeno onipresente que ocorre quando duas superfícies se tocam. O processo é um método elementar de triboeletricidade que pode ser observado diretamente na vida diária. O fenômeno é responsável por relâmpagos em tempestades, tempestades de areia ou plumas vulcânicas. O processo pode ser uma grande preocupação ao lidar com líquidos ou pós potencialmente explosivos. Como resultado, pesquisadores estabeleceram regulamentos empíricos de segurança para evitar perigos causados ​​por descargas elétricas por meio de carregamento triboelétrico. Embora o fenômeno tenha sido descrito por mais de 2.000 anos, os mecanismos subjacentes ainda são debatidos. Os cientistas normalmente consideram três tipos de transferência de carga, incluindo a transferência de elétrons, íons ou material com carga parcial. Em contatos de metal-metal, elétrons podem ser transferidos entre duas superfícies para estabelecer o potencial de contato. A quantidade de carga transferida também depende da capacidade mútua quando o contato elétrico é interrompido, e a transferência de carga observada apoiou fortemente o conceito de transferência de elétrons para contatos metal-metal. A situação é menos óbvia para contatos metal-isolador ou isolador-isolador. Kaponig et al. portanto, apresentou uma nova técnica experimental para analisar a transferência de carga durante a eletrificação de contato, com resolução sem precedentes.

O trabalho revelou como o potencial elétrico de uma partícula metálica saltando de uma superfície metálica evoluiu com o tempo. Com base nos resultados, Kaponig et al. observou como a carga aumentou com a velocidade do impacto em contatos metal-metal; uma característica comumente observada com contatos de metal-isolante e isolador-isolante, mas daqui a não observada para contatos de metal-metal. Durante os experimentos, isso levou a potenciais elétricos inesperadamente altos para contatos puramente metálicos. Uma vez que o contato elétrico foi estabelecido apenas por alguns microssegundos durante o contato mecânico, o processo não reteve os parâmetros da carga antes do contato. O potencial da esfera foi, portanto, reduzido apenas ao potencial de contato de alguns décimos de volt. Quando o contato elétrico se separou da superfície, Contudo, a carga na esfera estabeleceu um potencial de até 3 V por menos de 1 microssegundo.

Transferência de carga

Os cientistas já haviam estudado a transferência de carga de partículas que saltam em uma superfície inclinada com base na detecção eletrostática sem contato. Kaponig et al. portanto, desenvolveu um esquema experimental para medir a carga antes e depois do contato com a superfície para acompanhar a dinâmica em tempo real. Na configuração, eles obtiveram uma resolução melhor do que 1 microssegundo no tempo para cerca de 6.000 elétrons. Eles estudaram o movimento e a eletrificação de contato jogando esferas de ouro com 1 mm de diâmetro através de um pequeno orifício em um capacitor de placa paralela. As esferas saltaram em uma placa inferior virtualmente aterrada, permitindo aos cientistas medir as cargas induzidas e transferidas. A equipe realizou os experimentos no vácuo. O sinal detectado na placa inferior da configuração teve duas contribuições, incluindo a carga na esfera e a carga transferida para a esfera. A equipe notou o sinal de exibição de uma esfera de ouro quicando mais de 15 vezes na placa inferior do capacitor feito de cobre, a trajetória da esfera consistia em segmentos de queda livre, iniciando e completando via contato com a placa.

Quando Kaponig et al. inspecionou de perto o sinal, eles identificaram os momentos de contato por mudanças abruptas da carga medida. Eles observaram como o tempo gasto entre dois contatos determinou o segmento da trajetória. Em seguida, a equipe aplicou uma tensão na rampa para guiar a esfera até a entrada do capacitor, onde a esfera foi carregada positivamente antes de entrar no capacitor e tornou-se carregada negativamente durante o primeiro contato. A magnitude observada da carga foi inesperadamente alta. Os pesquisadores então repetiram o experimento com diferentes cargas iniciais, onde a esfera ficou carregada negativamente no primeiro e seguinte contato. Outra chave para entender a eletrificação de contato incluía o potencial da esfera. Com base na alta magnitude da carga na esfera, a equipe notou um potencial de vários volts inesperadamente alto para um sistema puramente metálico. O contato elétrico foi estabelecido apenas como um contato mecânico por alguns microssegundos. O potencial da esfera foi, portanto, reduzido ao potencial de contato de alguns décimos de volt. Conforme a distância entre a esfera e a placa aumentou, o potencial aumentou ainda mais.

Panorama

A equipe descreveu as observações usando um modelo de contato de metal em que a área de contato aumentou para o primeiro contato, seguido por uma enorme capacidade formada na interface devido à distância mínima entre as cargas. Essa capacidade carregada para o potencial de contato na ordem de picocoulombs. Após a quebra de contato, as duas superfícies adjacentes da placa e da esfera se encaixam quase perfeitamente para formar uma grande área em separação próxima e uma capacidade maior, onde o tamanho da área dependia da velocidade da esfera. Desta maneira, Mirco Kaponig e colegas mostraram como uma esfera metálica quicando em uma placa de metal alcançou um potencial de até 10 V, devido a uma deformação da área de contato. Isso levou a um aumento da capacidade entre a esfera e a placa após a interrupção do contato elétrico. Os resultados são importantes para eletrificação de contato e triboeletricidade para transferência de carga aprimorada.

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