miniaturadaimagem|Pedaços de isopor grudados no pelo de um gato devido à eletricidade estática. O efeito triboelétrico (também conhecido como triboeletricidade, carregamento triboelétrico, triboeletrificação ou tribocarregamento) descreve a transferência de carga elétrica entre dois objetos quando eles entram em contato ou deslizam um contra o outro. Ela pode ocorrer com materiais diferentes, como a sola de um sapato em um carpete, ou entre duas peças do mesmo material. Ela é onipresente e ocorre com quantidades diferentes de transferência de carga (tribocarga) para todos os materiais sólidos. Há evidências de que a tribocarga pode ocorrer entre combinações de sólidos, líquidos e gases, por exemplo, um líquido fluindo em um tubo sólido ou uma aeronave voando no ar.
Frequentemente, a eletricidade estática é uma consequência do efeito triboelétrico quando a carga permanece em um ou ambos os objetos e não é conduzida para longe. O termo triboeletricidade tem sido usado para se referir ao campo de estudo ou ao fenômeno geral do efeito triboelétrico, ou à eletricidade estática resultante dele. Quando não há deslizamento, a tribocarga às vezes é chamada de eletrificação de contato, e qualquer eletricidade estática gerada às vezes é chamada de eletricidade de contato. Os termos são frequentemente usados de forma intercambiável e podem ser confundidos.
A carga triboelétrica desempenha uma função importante em setores como o de embalagem de pós farmacêuticos, e em muitos processos como tempestades de areia e formação planetária. Ela também pode aumentar o atrito e a adesão. Embora muitos aspectos do efeito triboelétrico sejam agora compreendidos e amplamente documentados, ainda há divergências significativas na literatura atual sobre os detalhes subjacentes.
História O desenvolvimento histórico da triboeletricidade está entrelaçado com o trabalho sobre eletricidade estática e os próprios elétrons. As experiências envolvendo triboeletricidade e eletricidade estática ocorreram antes da descoberta do elétron. O nome ēlektron (ἤλεκτρον) é grego para âmbar, que está ligado ao registro da carga eletrostática por Tales de Mileto por volta de 585 a.C., e possivelmente outros ainda mais cedo. O prefixo tribo- (grego para 'esfregar') refere-se a deslizamento, atrito e processos relacionados, como na tribologia.
Desde a Era Axial (séculos VIII a III a.C.), a atração de materiais devido à eletricidade estática pela fricção do âmbar e a atração de materiais magnéticos eram consideradas semelhantes ou iguais. Há indícios de que isso era conhecido tanto na Europa quanto fora dela, por exemplo, na China e em outros lugares. As mulheres sírias usavam espirais de âmbar para tecer e exploravam as propriedades triboelétricas, conforme observado por Plínio, o Velho.
O efeito foi mencionado em registros do período medieval. O arcebispo Eustáquio de Tessalônica, estudioso e escritor grego do século XII, registra que Woliver, rei dos godos, podia tirar faíscas de seu corpo. Ele também afirma que um filósofo era capaz, enquanto se vestia, de extrair faíscas de suas roupas, semelhante ao relato de sobre seus experimentos com meias de seda, que pode ser encontrado na revista Philosophical Transactions of the Royal Society de 1759. miniaturadaimagem|Gerador construído por . Em geral, considera-se que a primeira grande análise científica foi feita por William Gilbert em sua publicação De Magnete, em 1600. Ele descobriu que muitos outros materiais além do âmbar, como enxofre, cera e vidro, podiam produzir eletricidade estática quando friccionados, e que a umidade impedia a eletrificação. Outros, como Sir Thomas Browne, fizeram contribuições importantes um pouco mais tarde, tanto em termos de materiais quanto do primeiro uso da palavra eletricidade em Pseudodoxia Epidemica. Ele observou que os metais não apresentavam carga triboelétrica, talvez porque a carga fosse conduzida para longe. Um passo importante foi dado por volta de 1663, quando Otto von Guericke inventou uma máquina que poderia automatizar a geração de carga triboelétrica, tornando muito mais fácil produzir mais carga triboelétrica; outros geradores eletrostáticos se seguiram. Por exemplo, a figura ao lado mostra um gerador eletrostático construído por . Outro desenvolvimento importante ocorreu na década de 1730, quando Charles Du Fay apontou que havia dois tipos de carga que ele denominou "vítrea" e "resinosa". Esses nomes correspondiam às hastes de vidro (vítrea) e ao carvão betuminoso, âmbar ou cera de vedação (resinosa) usados em seus experimentos. Esses nomes foram usados durante todo o século XIX. O uso dos termos "positivo" e "negativo" para os tipos de eletricidade surgiu do trabalho independente de Benjamin Franklin por volta de 1747, quando ele atribuiu a eletricidade a uma abundância excessiva ou insuficiente de um fluido elétrico.
Mais ou menos na mesma época, Johan Carl Wilcke publicou em um artigo de 1757 uma série triboelétrica. Nesse trabalho, os materiais foram listados em ordem de polaridade de separação de carga quando são tocados ou deslizam contra outro. Um material na parte inferior da série, quando tocado em um material próximo ao topo da série, adquirirá uma carga mais negativa.
A primeira análise sistemática da triboeletricidade é considerada o trabalho de Jean Claude Eugène Péclet em 1834. Ele estudou a carga triboelétrica para uma série de condições, como o material, a pressão e a fricção das superfícies. Passou-se algum tempo até que surgissem outros trabalhos quantitativos de Owen, em 1909, e Jones, em 1915. O conjunto inicial mais extenso de análises experimentais foi realizado de 1914 a 1930 pelo grupo do professor Shaw, que estabeleceu grande parte da base do conhecimento experimental. Em uma série de artigos, ele: foi um dos primeiros a mencionar algumas das falhas da série triboelétrica, mostrando também que o calor tinha um efeito importante no tribocarregamento; analisou detalhadamente onde diferentes materiais se encaixariam em uma série triboelétrica, ao mesmo tempo em que apontou anomalias; analisou separadamente vidro e elementos sólidos e elementos sólidos e têxteis, medindo cuidadosamente o tribocarregamento e o atrito; analisou o carregamento devido a partículas sopradas pelo ar; demonstrou que a deformação e o relaxamento da superfície desempenhavam um papel fundamental em uma série de materiais, e examinou o tribocarregamento de muitos elementos diferentes com sílica.
Grande parte desse trabalho é anterior ao entendimento das variações de estado sólido dos níveis de energia com a posição e também da flexão de banda. Foi no início da década de 1950, no trabalho de autores como Vick, que esses aspectos foram levados em consideração, juntamente com conceitos como tunelamento quântico e comportamento como os efeitos da , além da inclusão de modelos como asperezas para contatos baseados no trabalho de Frank Philip Bowden e David Tabor.
Características básicas A carga triboelétrica ocorre quando dois materiais são colocados em contato e depois separados ou deslizam um contra o outro. Um exemplo é esfregar uma caneta plástica em uma manga de camisa feita de algodão, lã, poliéster ou tecidos mistos usados em roupas modernas. Uma caneta eletrificada atrairá e pegará pedaços de papel com menos de um centímetro quadrado e repelirá uma caneta eletrificada da mesma forma. Essa repulsão pode ser detectada pendurando-se as duas canetas em fios e colocando-as próximas uma da outra. Esses experimentos levaram à teoria de dois tipos de carga elétrica, uma sendo o negativo da outra, com uma soma simples respeitando os sinais que dão a carga total. A atração eletrostática da caneta plástica carregada por pedaços de papel neutros e não carregados (por exemplo) se deve a dipolos induzidos no papel.
O efeito triboelétrico pode ser imprevisível porque muitos detalhes geralmente não são controlados. Os fenômenos que não têm uma explicação simples são conhecidos há muitos anos. Por exemplo, já em 1910, Jaimeson observou que, para um pedaço de celulose, o sinal da carga dependia do fato de ele ser dobrado de forma côncava ou convexa durante a fricção. O mesmo comportamento com a curvatura foi relatado em 1917 por Shaw, que observou que o efeito da curvatura com diferentes materiais os tornava mais positivos ou negativos. Em 1920, Richards apontou que, para partículas em colisão, a velocidade e a massa desempenhavam um papel importante, e não apenas os materiais. Em 1926, Shaw apontou que, com duas peças de material idêntico, o sinal da transferência de carga poderia mudar com o tempo.
Há outros resultados experimentais mais recentes que também não têm uma explicação simples. Por exemplo, o trabalho de Burgo e , que mostrou que o sinal da transferência de carga se inverte entre quando uma ponta está sendo empurrada para dentro de um substrato e quando é retirada; o trabalho detalhado de Lee et al e Forward, Lacks e Sankaran e outros que medem a transferência de carga durante as colisões entre partículas de zircônio de tamanho diferente, mas com a mesma composição, com um tamanho carregando positivamente e o outro negativamente; as observações usando microscópio de força de sonda deslizante ou Kelvin de variações de carga não homogêneas entre materiais nominalmente idênticos. miniaturadaimagem|Ilustração da carga triboelétrica de asperezas de contato. Os detalhes de como e por que ocorre a tribocarga não são ciência estabelecida até 2023. Um componente é a diferença na função trabalho (também chamada de afinidade eletrônica) entre os dois materiais, o que pode levar à transferência de carga, como, por exemplo, analisado por Harper. Como se sabe desde pelo menos 1953, o potencial de contato faz parte do processo, mas não explica muitos resultados, como os mencionados nos dois últimos parágrafos. Muitos estudos apontaram problemas com a diferença da função trabalho () como uma explicação completa. Há também a questão de por que o deslizamento é frequentemente importante. As superfícies têm muitas asperezas em nanoescala onde ocorre o contato, o que foi levado em conta em muitas abordagens da triboeletrificação. Alessandro Volta e Hermann von Helmholtz sugeriram que a função do deslizamento era produzir mais contatos por segundo. Em termos modernos, a ideia é que os elétrons se movem muitas vezes mais rápido do que os átomos, de modo que os elétrons estão sempre em equilíbrio quando os átomos se movem (a aproximação de Born-Oppenheimer). Com essa aproximação, cada contato de aspereza durante o deslizamento é equivalente a um contato estacionário; não há acoplamento direto entre a velocidade de deslizamento e o movimento do elétron. Uma visão alternativa (além da aproximação de Born-Oppenheimer) é que o deslizamento atua como uma bomba mecânica quântica que pode excitar os elétrons para que passem de um material para outro. Uma sugestão diferente é que o aquecimento local durante o deslizamento é importante, uma ideia sugerida pela primeira vez por Frenkel em 1941. Outros trabalhos consideraram que a curvatura local em nanoescala produz tensões que ajudam a impulsionar a transferência de carga por meio do efeito flexoelétrico. Há também sugestões de que as cargas de superfície ou aprisionadas são importantes. Mais recentemente, houve tentativas de incluir uma descrição completa do estado sólido.
Explicações e mecanismos Desde os primeiros trabalhos que começaram no final do século XIX, há uma grande quantidade de informações disponíveis sobre o que, empiricamente, causa a triboeletricidade. Embora existam muitos dados experimentais sobre a triboeletricidade, ainda não há um consenso científico completo sobre a fonte ou, talvez, mais provavelmente, sobre as fontes. Alguns aspectos estão estabelecidos e farão parte do quadro completo:
Diferenças na função trabalho entre os dois materiais.
Curvatura local, deformação e rugosidade.