La electrificación por contacto era una teoría científica errónea de la Ilustración que intentaba explicar todas las fuentes de carga eléctrica conocidas en ese momento. [1] Desde entonces ha sido reemplazado por nociones más modernas. A finales del siglo XVIII, los científicos desarrollaron instrumentos sensibles para detectar la "electrificación", también conocida como desequilibrio de carga electrostática . El fenómeno de la electrificación por contacto, o tensión de contacto , se descubrió rápidamente.
Cuando dos objetos se tocaban juntos, a veces los objetos se cargaban espontáneamente. Un objeto desarrolló una carga negativa neta, mientras que el otro desarrolló una carga positiva igual y opuesta. Luego se descubrió que las 'pilas' de discos metálicos diferentes separados por una tela empapada en ácido, pilas voltaicas , también podían producir diferencias de carga. Aunque más tarde se descubrió que estos efectos eran causados por diferentes procesos físicos ( triboelectricidad , efecto Volta, diferentes funciones de trabajo de los metales y otros), en ese momento se pensaba que todos eran causados por un proceso común de "electrificación por contacto". [ cita requerida ]
El fenómeno de electrificación por contacto permitió la construcción de los llamados generadores electrostáticos 'friccionales' como las máquinas de Ramsden o Winter, pero también condujo directamente [ cita requerida ] al desarrollo de dispositivos útiles como baterías , pilas de combustible , galvanoplastia , termopares . El contacto entre materiales es responsable de una tecnología eléctrica tan moderna como los dispositivos de unión de semiconductores, incluidos los diodos detectores de radio , las fotocélulas , los LED y las celdas termoeléctricas . [ cita requerida ]
Historia
La teoría sostenía que la electricidad estática se generaba por medio del contacto entre materiales diferentes y estaba en estrecha concordancia con los principios de la electricidad estática tal como se entendía entonces. Finalmente fue reemplazada por la teoría actual de la electroquímica , es decir, que la electricidad se genera por la acción de la química y el intercambio de electrones entre los átomos que componen la batería. Un hecho importante que llevó al rechazo de la teoría de la tensión de contacto fue la observación de que la corrosión , es decir, la degradación química de la batería, parecía inevitable con su uso, y que cuanta más electricidad se extraía de la batería, más rápida era la corrosión. procedió.
El efecto Volta (descrito a continuación) corresponde a una diferencia de potencial eléctrico débil desarrollada por el contacto de diferentes metales. Hoy en día, esto a menudo se conoce como diferencia de potencial de contacto . Este efecto fue descubierto por primera vez por Alessandro Volta y se puede medir utilizando un electroscopio de capacitancia que comprende diferentes metales. Sin embargo, este efecto no explica por sí mismo la acción de las baterías eléctricas.
Se inventaron varias pilas secas de alto voltaje entre principios del siglo XIX y la década de 1830 en un intento de determinar la respuesta a esta pregunta, y específicamente para respaldar la hipótesis de Volta sobre la tensión de contacto. La campana eléctrica de Oxford es un ejemplo. Francis Ronalds en 1814 fue uno de los primeros en darse cuenta de que las pilas secas también funcionaban a través de una reacción química en lugar del contacto de metal con metal, aunque la corrosión no era visible debido a las corrientes muy pequeñas generadas. [2] [3]
Contacto triboeléctrico
Si se tocan dos aisladores diferentes , como cuando se toca un trozo de caucho contra un trozo de vidrio, la superficie del caucho adquirirá un exceso de carga negativa y el vidrio adquirirá una carga positiva igual. Si luego se separan las superficies, se produce un voltaje muy alto . Este llamado efecto "tribo" o "frotamiento" no se comprende bien. Puede ser causado por el robo de electrones a través de un túnel cuántico o por la transferencia de iones de superficie. No se requiere fricción, aunque en muchas situaciones aumenta enormemente el fenómeno. Ciertos fenómenos relacionados con cargas electrostáticas generadas por fricción se conocen desde la antigüedad, aunque, por supuesto, la teoría moderna de la electricidad se desarrolló después de la Revolución Científica .
Contacto sólido-sólido
El mecanismo de electrificación por contacto (CE) entre sólido-sólido se ha debatido durante más de 2600 años. Un tema muy controvertido en CE es la identidad de los portadores de carga: transferencia de electrones, transferencia de iones o incluso transferencia de especies de materiales. Estudios recientes mediante el uso de microscopía de fuerza de sonda Kelvin sugieren que la transferencia de electrones es el portador de carga dominante en CE para los casos sólido-sólido. [4] Cuando la distancia interatómica entre dos átomos que pertenecen a dos materiales es más corta que la longitud de enlace normal (típicamente ~ 0.2 nm), los electrones se transferirán en la interfaz. Implica que una fuerte superposición de la nube de electrones (o superposición de la función de onda) entre los dos átomos / moléculas en la región repulsiva reducirá la barrera de potencial interatómico (Fig.1) y dará como resultado una transición de electrones entre los átomos / moléculas. La fuerza de contacto / fricción en CE es inducir una fuerte superposición entre las nubes de electrones (o función de onda en física, enlace en química). [5]
Contacto líquido-sólido
Además de la transferencia de iones en la interfaz líquido-sólido, también se produce la transferencia de electrones. En cuanto al caso líquido-sólido, las moléculas en el líquido tendrían una superposición de nubes de electrones con los átomos de la superficie sólida en el primer contacto con una superficie sólida virginal, [6] [7] y se requiere la transferencia de electrones para crear la primera capa de cargas electrostáticas en la superficie sólida. Luego, la transferencia de iones es el segundo paso, que es una redistribución de los iones en solución considerando las interacciones electrostáticas con la superficie sólida cargada (Fig. 2). Tanto la transferencia de electrones como la transferencia de iones coexisten en la interfaz líquido-sólido.
Contacto electrolítico-metálico
Si una pieza de metal se toca contra un material electrolítico , el metal se cargará espontáneamente, mientras que el electrolito adquirirá una carga igual y opuesta. Tras el primer contacto, se produce una reacción química denominada " reacción de media celda " en la superficie del metal. A medida que los iones metálicos se transfieren hacia o desde el electrolito, y a medida que el metal y el electrolito se cargan de manera opuesta, el voltaje creciente en la fina capa aislante entre el metal y el electrolito se opondrá al movimiento de los iones que fluyen, lo que provocará que la reacción química llegue a un punto crítico. detener. Si se coloca una segunda pieza de un tipo diferente de metal en el mismo baño de electrolito, se cargará y aumentará a un voltaje diferente. Si la primera pieza de metal se toca contra la segunda, el voltaje en las dos piezas de metal se acercará más y las reacciones químicas se producirán constantemente. De esta manera, la "electrificación por contacto" se vuelve continua. Al mismo tiempo, aparecerá una corriente eléctrica, con el camino formando un circuito cerrado que va de una parte metálica a la otra, a través de las reacciones químicas en la primera superficie del metal, a través del electrolito, y luego de regreso a través de las reacciones químicas en el segunda superficie de metal. De esta forma, la electrificación por contacto conduce a la invención de la pila o batería galvánica . Ver también: Pila seca
Contacto metálico
Si se tocan dos metales que tienen diferentes funciones de trabajo , uno roba electrones del otro y las cargas netas opuestas aumentan cada vez más; este es el efecto Volta. El proceso se detiene cuando la diferencia en el potencial eléctrico ( potencial electrostático) entre los dos metales alcanza un valor particular, es decir, la diferencia en los valores de la función de trabajo, generalmente menos de un voltio. En este punto, los niveles de Fermi para los dos metales son iguales y no hay diferencia de voltaje entre ellos. [Si hubiera una diferencia de voltaje entre ellos, entonces fluiría una corriente entre ellos: entonces "corriente cero" implica "diferencia de voltaje cero".]
Contacto semiconductor
Si un metal toca un material semiconductor, o si se ponen en contacto dos semiconductores diferentes, uno se carga ligeramente positivo y el otro ligeramente negativo. Se encuentra que si esta unión entre semiconductores está conectada a una fuente de alimentación, y si la fuente de alimentación se establece en un voltaje ligeramente más alto que el voltaje natural que aparece debido a la electrificación del contacto, entonces para una polaridad de voltaje habrá una corriente entre las dos partes semiconductoras, pero si se invierte la polaridad, la corriente se detiene. Por lo tanto, el contacto entre materiales condujo a la invención del diodo semiconductor o rectificador y desencadenó la revolución en la electrónica y la física de los semiconductores .
En materiales con una banda prohibida directa , si se apunta luz brillante a una parte del área de contacto entre los dos semiconductores, el voltaje en ese punto aumentará y aparecerá una corriente eléctrica. Cuando se considera la luz en el contexto de la electrificación por contacto [ aclaración necesaria ] , la energía de la luz se transforma directamente en energía eléctrica, lo que permite la creación de células solares . Más tarde se descubrió que el mismo proceso se puede revertir, y si se fuerza una corriente hacia atrás a través de la región de contacto entre los semiconductores, a veces se emitirá luz, lo que permitirá la creación del diodo emisor de luz (LED).
Referencias
- ^ Willem Hackmann, " El enigma de la" tensión de contacto "de Volta y el desarrollo de la" pila seca " ", que aparece en Nuova Voltiana: Estudios sobre Volta y su época Volumen 3 (Fabio Bevilacqua; Lucio Frenonese (Editores)), (2000 ) págs.103-119
- ^ Ronalds, BF (2016). Sir Francis Ronalds: padre del telégrafo eléctrico . Londres: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4.
- ^ Ronalds, BF (julio de 2016). "Francis Ronalds (1788-1873): ¿El primer ingeniero eléctrico?". Actas del IEEE . doi : 10.1109 / JPROC.2016.2571358 .
- ^ Wang, ZL; Wang, AC (2019). "Sobre el origen de la electrificación por contacto". Materiales hoy . 30 : 34. doi : 10.1016 / j.mattod.2019.05.016 .
- ^ Xu, C .; Zi, Y .; Wang, AC; Zou, H .; Dai, Y .; Él, X .; Wang, P .; Wang, C .; Feng, P .; Li, D .; Wang, ZL (2018). "Sobre el mecanismo de transferencia de electrones en efecto de electrificación de contacto". Materiales avanzados . 30 : 1706790. doi : 10.1002 / adma.201706790 .
- ^ Lin, SQ; Xu, L .; Wang, AC; Wang, ZL (2020). "Cuantificación de la transferencia de electrones y de iones en la electrificación por contacto líquido-sólido y el mecanismo de formación de la doble capa eléctrica" . Comunicaciones de la naturaleza . 11 : 399. doi : 10.1038 / s41467-019-14278-9 .
- ^ Nie, JH; Ren, Z .; Xu, L .; Lin, SQ; Zhan, F .; Chen, XY; Wang, ZL (2019). "Sondando las transferencias de electrones e iones inducidas por electrificación de contacto en una interfaz líquido-sólido". Materiales avanzados . 31 : 1905696. doi : 10.1002 / adma.201905696 .