Electricitatea statica

Electrizarea si conductia - privire microscopica

Istoria electricitatii a inceput cu observarea electrizarii chihlimbarului prin frecare cu o blana de animal. Acest efect, numit triboelectric, din grecescul "trib" care inseamna a freca, a fost multa vreme singurul mod cunoscut pentru separarea sarcinilor electrice. Pe corpurile initial neutre se gasesc, dupa frecare si separare, sarcini egale si opuse. Fizicienii au descoperit apoi ca frecarea corpurilor intre ele nu este obligatorie pentru separarea sarcinilor electrice. Acelasi efect se produce la dezliprea a doua suprafete (cum se vede in desenul alaturat) si la ciocnirea viguroasa a doua corpuri.

Esential este contactul foarte strins, pe o arie cit mai mare, intre suprafetele corpurilor, asa cum se intimpla in mecanismul prezentat in animatia de mai sus. Frecarea contribuie la o marire a eficientei electrizarii deoarece mareste aria suprafatei efective de contact. Suprafetele corpurilor sunt departe de a fi netede, ele prezinta rugozitati ce fac ca aria efectiva de contact sa fie doar o mica fractie din aria aparenta, asa cum se vede in desenul de mai jos. Apasarea comprima denivelarile si mareste suprafata de contact iar miscarea periodica de dute-vino o mareste si mai mult.

Cu toate ca frecarea nu este decit unul din mijloacele pentru a face separarea mai eficienta, aceste efecte sunt in continuare numite prin manuale "electrizare prin frecare" sau triboelectricitate, din considerente pur istorice. In literatura stiintifica, insa, ele sunt numite azi "electrizare prin contact", asa cum puteti vedea in imaginea de mai jos, care prezinta inceputul unui articol aparut in 2011. Datorita complexitatii sale extraordinare, acest tip de electrizare ramine in atentia oamenilor de stiinta, multe din aspectele sale nefiind clarificate inca suficient

Cunoasterea structurii materiei ne permite sa intelegem de ce apare acest efect. La contactul foarte strins intre suprafete, norii electronici ai atomilor de pe suprafete se intrepatrund si se formeaza intre ei legaturi speciale, numite "de adeziune". Astfel, norii unor electroni periferici ai atomilor de la suprfata se deformeza si trec aproape integral pe celalalt corp, producind-se o separare de sarcini. Cind corpurile sunt despartite, aceste legaturi se desfac dar electronii ce formasera legaturile nu se reintorc cu totii la atomii din care facusera parte deoarece unii atomi au o tendinta sa "captureze" electroni suplimentari iar altii sa cedeze din electronii proprii. Desi dezechilbrul creat este micsorat prin curgerea inapoi a sarcinilor si descarcari electrice (fulgere minuscule), unul din corpuri ramine cu un surplus de electroni (se incarca negativ) iar celalalt ramine cu un deficit de electroni (surplus de protoni) si se incarca pozitiv. Electronii nu sunt singurele particule transferate la electrizarea prin frecare. Anumite materiale pot schimba intre ele ioni sau chiar fragmente ionizate ale unor molecule mari. Cum toate particule cedate de un corp trec pe celalalt, corpurile se incarca cu sarcini opuse, dar egale in valoare absoluta.

Care din cele doua corpuri primeste electroni suplimentari depinde, in primul rind, de materialele, diferite intre ele, din care sunt alcatuite corpurile. Daca studiem multe materiale si le asezam in ordine, de la cele cu cel mai mic apetit pentru electroni la cele cu cea mai mare afinitate pentru electroni, obtinem o serie triboelectrica, cum este cea din tabelul care urmeaza (dupa http://www.siliconfareast.com).

Cind doua materiale diferite sunt aduse in contact strins (eventual frecate) si apoi separate, electrizarea este cu atit mai puternica cu cit materialele ocupa in seria triboelectrica pozitii mai departate una de alta. Materialul care se gaseste deasupra in seria triboelectrica se electrizeaza pozitiv. La dezlipirea unei bucati de banda adeziva (scotch) de pe rola, suprafetele de celuloza si cea acoperita cu adeziv se separa, dupa ce au fost multa vreme intr-un contact foarte strins. Deoarece adezivul (cauciuc sintetic) si celuloza sunt indepartate intre ele in serie, cauciucul fiind deasupra, bucata dezlipita ramine incarcata pozitiv iar rola ramine incarcata negativ. Sa ne reamintim experimentul:

Un material poate fi incarcat negativ daca este frecat cu unul situat deasupra lui in seria triboelectrica, dar poate fi incarcat si pozitiv, cind este frecat cu un material situat sub el in seria triboelectrica. Am vazut aceasta in cazul unei bare de polipropilena: frecata cu stofa de lina (situata deasupra sa in serie) bara se incarca negativ, pe cind frecata cu cauciuc siliconic (situat sub polipropilena in serie), bara se incarca pozitiv. Revedeti filmul urmator, intre momentele 1:35 si 2:20:

Din acest motiv am evitat sa folosim, pentru cele doua tipuri de sarcina, denumirile istorice: "sarcina sticloasa" si "sarcina rasinoasa". Atit sticla cit si rasinile se pot incarca prin frecare atit pozitiv, cit si negativ, dupa materialul cu care sunt frecate.

Seria triboelectrica trebuie considerata cu multa prudenta. Materialele reale nu sunt niciodate pure iar pozitia unui material in serie se poate schimba cu usurinta daca se modifica alti factori cum sunt rugozitatea suprafetei, forta de contact, forma suprafetei de contact sau umiditatea aerului. Diferiti cercetatori ajung, astfel, la serii triboelectrice diferite, de unde si multimea de astfel de serii publicate on-line (ca sa nu mai vorbim de erori de editare perpetuate prin copiere). De exemplu, in seria pe care am reprodus-o mai sus, serie cu o larga raspindire in publicatii, pielea umana apare mult deasupra acetatului, fiind pe locul 2. Cu toate acestea, daca va amintiti experimentele noastre, benzile de acetat frecate cu mina nu se incarcau negativ, asa cum prezice seria, ci pozitiv.

Dupa seria triboelectrica, contactul intre doua corpuri din acelasi material ar trebui sa produca o electrizare nula sau foarte slaba. Cu toate acestea, la desfacerea de pe rulou a unei pungi de polietilena pentru frigider (figura de mai sus), punga si ruloul se electrizeaza puternic, desi sunt din exact acelasi material. Importante sunt, in acest caz, forta de apasare si curbura suprafetelor ce au fost in contact.

Sa ne reamintim modul in care sunt legati intre ei atomii in structura unui metal. Atomii metalelor au pe stratul exterior un numar de 1 electron (cazul cuprului), 2 electroni (zincul) sau 3 electroni (aluminiul). Fiecare dintre atomi pierde acesti electroni si devine, astfel, ion pozitiv. Electronii care au parasit atomii apartin acum intregului corp, fiind "delocalizati" si miscindu-se liber in intreg volumul corpului. Numarul acestor electroni liberi este foarte mare, de ordinul a 1022 electron/cm3. De aceea, metalele sunt conductoare electrice foarte bune .

Conductia electrica in metale este asigurata exclusiv de catre electroni; protonii sunt masivi si fixati in reteaua cristalina. In experimentele de inductie electrostatica, incarcare prin inductie, descarcarea unui conductor prin legare la pamint, numai electronii (particulele negative) se deplasau si isi schimbau modul de distribuire. Sarcina pozitiva (datorata protonilor) era "legata" in structura corpului respectiv. Faptul ca o regiune devenea pozitiva se datora deficitului de electroni (care se deplasasera in alta parte).

Stim ca alte substante nu permit curgerea sarcinii electrice, fiind izolatoare. O astfel de substanta este dioxidul de siliciu, SiO2; utilizat in acest scop in micro-electronica (fabricarea circuitelor integrate). Desi formula chimica ne face sa credem ca un atom de siliciu formeaza o molecula impreuna cu doi atomi de oxigen, acest lucru nu este adevarat: nu exista o molecula O-Si-O similara cu cea de dioxid de carbon !. Siliciul are patru electroni in stratul de valenta (care este ocupat pe jumatate). Astfel, fiecare atom de siliciu este legat prin legaturi covalente puternice de patru atomi de oxigen, formind un tetraedru, ca in figura alaturata. Fiecare atom de oxigen mai are, insa, inca un electron de valenta liber, cu care se leaga de alt atom de siliciu, astfel incit se formeza o structura spatiala, ca in animatia de mai jos. Pentru fiecare atom de siliciu, exista doi atomi de oxigen, de unde si formula SiO2. Flexibilitatea "puntilor" de oxigen formate intre atomii de siliciu face ca substanta sa existe in multe forme cristaline (cel putin 35) si chiar in stare amorfa. Cele mai cunoscute forme sunt cristale de cuart, nisipul si sticla.

Pentru a vedea o animatie cu formarea structurii de dioxid de siliciu, dati un click aici.

Electronii implicati in legaturile dintre atomii de siliciu si cei de oxigen sunt foarte bine legati de acestia si, la temperaturi obisnuite, nu ii pot parasi. In cristalul de dioxid de siliciu nu exista electroni liberi si aceasta substanta ar trebui sa fie un izolator perfect. Cristalul real nu este insa perfect, are "defecte" si urme de impuritati, astfel incit acesta prezinta, intr-un grad extrem de redus, conductibilitate electrica. Comparata cu cea a metalelor, aceasta este cu 25 ordine de marime mai redusa.

O clasa de substante cu totul speciala este aceea a semiconductoarelor. Dupa cum le spune si numele, acestea au o conductibilitate "intermediara", situata intre aceea a conductoarelor si aceea a izolatoarelor. Cel mai utilizat semiconductor este siliciul. In cristalul de siliciu, fiecare atom este legat, prin patru legaturi covalente, de alti patru, asa cum se vede in reprezentarea intr-un plan din figura de mai jos. Legaturile sunt, insa, mult mai slabe decit cele de la dioxidul de siliciu si, datorita agitatiei termice, un numar mic de electroni parasesc legatura si devin liberi. Astfel, substantele semiconductoare sunt mai bune conductoare decit izolatoarele si conductibilitatea lor creste cu cresterea temperaturii.

Tranzistoarele si circuitele integrate din echipamentele electronice moderne sunt realizate, in imensa lor majoritate, din siliciu. Conductibilitatea sa electrica este modificata dramatica prin impurificare controlata (dopare) cu alte elemente chimice. Nivelul de impurificare este extrem de scazut; in stare "pura", exista cam un atom de impuritate la un miliard de atomi de siliciu dar o dopare controlata de 1 la un milion poate schimba siliciul intr-un conductor bun.

Daca o fractie foarte mica de atomi de siliciu sunt inlocuiti in cristal cu atomi ai unui element cu cinci electroni de valenta, pentru fiecare ramine un electron ce nu participa la legaturile covalente si devine liber (figura de mai jos, stinga). Siliciul obtinut este numit de tip n (de la negativ). Daca inlocuirea este facuta cu atomi cu numai trei electroni de valenta (desenul de jos, dreapta), acestia realizeaza numai trei legaturi covalente. Datorita agitatiei termice, un electron de la o legatura apropiata, fiind slab legat, "sare" la atomul de impuritate si completeaza a patra legatura a sa. In acest fel, se creaza un ion negativ si un ion pozitiv. "Golul" nu ramine insa localizat, starea de ionizare pozitiva (nu ionul insusi!) calatorind liber prin cristal. Siliciul obtinut poarta numele de siliciu p (de la pozitiv).

Prin doparea n sau p a diferitelor regiuni se realizeaza dispozitive electronice. In desenul alaturat, extras dintr-un brevet din 1951 al lui William Shockley, puteti vedea cele trei regiuni, cu dopare n, p si, din nou, n, care alcatuiesc tranzistorul bipolar cu jonctiuni.

Oalta substanta, a carei structura am discutat-o, este apa. Moleculele de apa sunt polare si formeza intre ele "punti de hidrogen" care se stabilesc si se desfac continuu. In plus, un numar extrem de mic de molecule schimba electroni intre ele, aparind ioni pozitivi si ioni negativi. Acestia fac ca apa sa fie un izolator mai modest decit dioxidul de siliciu, conductibilitatea sa fiind "doar" cu 12 ordine de marimea mai mica decit aceea a metalelor, atunci cind este in stare pura (distilata) si cu 10 ordine de marime mai mica decit a metalelor cind este luata din izvoare. Cu toate acestea, conductibilitatea apei conteaza in experimentele de electrostatica; acestea reusesc mult mai bine in zilele uscate.