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Eletricidade Estática e ESD

A Eletricidade Estática é uma forma de eletricidade que ocorre quando existe um acúmulo de cargas elétricas, positivas ou negativas, na superfície de um corpo, causando um desbalanceamento de cargas. O nome Estática indica que estas cargas não se deslocam como ocorre na eletricidade dinâmica (corrente elétrica), na qual as cargas elétricas fluem através de um condutor.

O acúmulo de cargas em corpos ocorre quando a superfície desses corpos se toca e se separa, sendo que ao menos uma dessas superfícies possui uma alta resistência à passagem de corrente – portando, é um isolante. Então, se dois materiais forem atritados entre si, cargas elétricas (elétrons) podem ser transferidas de um corpo para outro, e quando eles são separados, estas cargas permanecem presentes em suas superfícies, de forma estacionária.

Praticamente todo mundo já interagiu em algum momento com um corpo carregado de eletricidade. Um exemplo clássico ocorre quando usamos uma blusa de lã – o atrito da lã com nosso próprio corpo provoca o acúmulo de cargas tanto na lã, como em nossa pele, e é comum ao retirarmos a blusa sentirmos os pelos do braço se arrepiando, ou ainda ouvirmos estalos, ou, em alguns casos mais raros, até mesmo vermos pequenas faíscas, caso tiremos essa roupa no escuro.

Esse efeito, chamado de Descarga Eletrostática,  se dá por conta da descarga da energia estática acumulada.

Como ocorre a eletrização dos corpos

Todos os materiais são formados por átomos, que geralmente contém a mesma quantidade de elétrons e prótons, portanto, uma carga elétrica neutra (balanceada), pois os elétrons possuem carga negativa e os prótons, carga positiva. Os prótons permanecem no núcleo atômico e não podem ser retirados de lá, a não ser em uma reação nuclear No núcleo atômico também encontramos os Nêutrons, que, como o próprio nome diz, são neutros, não possuindo carga elétrica.

Já os elétrons circundam o núcleo em “camadas” de distâncias variadas até o núcleo.

Quando dois corpos quaisquer entram em contato físico, é possível que elétrons da camada mais externa dos átomos se movam de um corpo para o outro, de modo que o corpo que recebe esses elétrons acaba com uma carga elétrica negativa acumulada (excesso de elétrons), e o corpo que perdeu elétrons fica com uma carga positiva (falta de elétrons).

Ao separarmos esses corpos, as cargas adquiridas se mantém, e então dizemos que ambos os corpos estão carregados com eletricidade estática – estão eletrizados.

A figura a seguir ilustra esse processo de eletrização por atrito:

No geral, se um material tiver os elétrons na última camada com uma ligação fraca ao átomo ele tende a perder elétrons, ao passo que materiais que possuam a última camada com poucos elétrons (pouco preenchida) tendem a ganhar elétrons. Quando esses materiais são postos em contato, a transferência dos elétrons pode ocorrer. Damos a esse fenômeno o nome de “Efeito Triboelétrico“. O prefixo tribo- desse termo vem do grego e significa “atritar, esfregar”, o que mostra claramente como se dá o efeito.

A eletrização de um corpo também pode se dar por contato. Neste caso, um dos corpos considerados é um condutor que possui cargas elétricas em sua superfície (está eletrizado) e, ao tocar em outro corpo com um potencial elétrico diferente, haverá a distribuição das cargas entre ambos os corpos, até que atinjam o equilíbrio entre si.

Se os corpos forem então separados, ambos estarão carregados, com a mesma quantidade de cargas. Assim, é possível carregar um condutor transferindo para ele parte da carga contida no outro corpo.

Série Triboelétrica

Uma série triboelétrica é uma listagem de materiais ordenados de acordo com a separação de cargas que ocorre quando são tocados por outro corpo. Em outras palavras, a série triboelétrica mostra quais materiais adquirem carga positiva ou negativa quando atritados ou quando entram em contato entre si, e a intensidade relativa da quantidade de cargas adquiridas. Sempre que um material está numa posição mais inferior da série, e é atritado com um material em posição superior, ele adquire uma carga mais negativa (e o material acima, uma carga mais positiva).

Quanto mais longe os materiais estiverem entre si na listagem maior a quantidade de cargas que eles podem adquirir se atritados um com o outro. A seguir temos uma listagem resumida de materiais na série triboelétrica:

Materiais mais positivamente carregados (+) Espuma de Poliuretano Cabelo Nylon / Pele seca Vidro Acrílico Couro Quartzo Mica Seda Alumínio Papel Algodão Aço (sem carga) Âmbar Poliestireno Borracha Níquel Enxofre Prata Acetato Borracha Sintética Poliéster Polietileno Polipropileno Vinil Silicone Ebonite Materiais mais negativamente carregados (-)

Portanto, se você atritar um dos materiais do final da lista com um dos materiais do início da lista, como por exemplo um pedaço de plástico polipropileno com um tecido de nylon, haverá a transferência de cargas (elétrons) entre eles, ficando ambos eletrizados – o material do início da lista mais positivamente, e o do final, mais negativamente.

Podemos fazer um experimento caseiro e simples para demonstrar o acúmulo de eletricidade estática em corpos após o atrito entre eles: vamos esfregar um objeto de plástico contra um tecido sintético e então aproximar esse objeto de uma bolinha de isopor suspensa por um fio de linha. Veja o que acontece:

Perceba que a bolinha de isopor é atraída em direção ao plástico, devido às cargas elétricas acumuladas sobre este objeto. O mesmo efeito pode ser obtido, de forma ainda mais simples, penteando seu cabelo (seco) com um pente de plástico e então aproximando o pente de um montinho de papel picado sobre a mesa. Veja o que ocorre:

Os pedacinhos de papel picado são atraídos em direção ao pente, devido às cargas elétricas acumuladas sobre ele, que atraem os átomos que compõem o papel devido à diferença de cargas entre esses objetos.

Perigos da Eletricidade Estática: Descarga Eletrostática

Como vimos anteriormente, cargas elétricas podem se acumular na superfície dos corpos, incluindo o corpo humano, se objetos forem atritados entre si. A quantidade de cargas que podem se acumular dessa forma é altamente variável, dependendo de uma série de fatores, como os tipos de materiais envolvidos, duração do contato, umidade do ar, entre outros. A tensão elétrica que se acumula pode, na verdade, chegar a milhares de volts em muitos casos.

É isso, mesmo, você leu direito: milhares de volts. Uma simples esfregadela dos pés em um tapete ou carpete, mesmo calçando sapato, pode fazer com que seu corpo acumule mais de mil volts de eletricidade estática.

Em casos extremos essa tensão pode chegar a quase 10.ooo volts!

Já tocou na maçaneta da porta, ou mesmo no braço de outra pessoa e sentiu um leve choque? Se sim, o que você experimentou foi uma descarga eletrostática (ESD, electrostatic discharge). As cargas acumuladas no seu corpo foram rapidamente descarregadas sobre outro corpo que tinha muito menos cargas, ou então estava neutro (ou vice-versa). A corrente elétrica nesses casos é muito baixa, por isso você não sofre nada além da pequena descarga, porém a tensão é elevada. E é aí que podemos ter problemas.

Descarregar três ou quatro mil volts em uma maçaneta é uma coisa; agora imagine descarregar essa tensão elétrica sobre um corpo extremamente sensível, como um chip semicondutor (circuito integrado), que funciona com, por exemplo, 5V de tensão! Em um caso desses, é altamente provável que o chip seja destruído internamente – você não o verá em chamas, mas sua conexões internas podem ser totalmente destruídas, e o chip fica inutilizado.

Este é um problema gigantesco em um laboratório de eletrônica ou de informática, onde técnicos manuseiam componentes eletrônicos e placas sensíveis, como por exemplo um microprocessador de computador ou uma placa de vídeo – elementos que tem custo elevado, inclusive, e que podem ser danificados permanentemente simplesmente por serem tocados por uma fração de segundo!

Para evitar esse tipo de problema é recomendado que o técnico ou engenheiro que vai manusear componentes delicados use algum equipamento de proteção contra ESD, como por exemplo uma pulseira anti-estática, que deve conectar o braço da pessoa a algum ponto aterrado, preferencialmente na bancada de trabalho. Assim, evita-se o acúmulo de cargas no corpo e diminui-se drasticamente o problema da ESD.

Também recomenda-se armazenar componentes sensíveis à ESD em embalagens adequadas, como por exemplos sacos plásticos antiestáticos.

Procure também usar roupas fabricadas com tecidos de fibras naturais, como algodão, em vez de usar tecidos sintéticos quando estiver no laboratório ou trabalhando com dispositivos e componentes sensíveis, pois os tecidos sintéticos tendem a acumular cargas estáticas com muito mais facilidade.

Um outro grande perigo de uma descarga eletrostática se dá quando a descarga causa uma faísca em um ambiente onde há gases inflamáveis, como por exemplo em ambientes industriais. Muitos acidentes são causados por conta desse fenômeno, algumas vezes com prejuízo de vidas humanas, além do prejuízo material envolvido.

Veja abaixo uma simulação interativa e divertida da Universidade do Colorado sobre eletricidade estática e ESD. Clique na perna do John Travolta e a arraste para frente e para trás para carregar seu corpo com eletricidade estática; depois, clique e arraste seu braço para produzir uma descarga na maçaneta da porta::

Créditos da animação: PHET – University of Colorado

Caso queira saber mais sobre cargas elétricas, assista ao vídeo a seguir, do canal Bóson Ciências e Cultura:

Veja também: O que é um Átomo e o que são Partículas Subatômicas: