Efectos de la electricidad estática en el pesaje analítico
Introducción
La electricidad estática es un fenómeno físico habitual en muchos ámbitos de nuestra vida cotidiana. Puede tener una enorme importancia en la industria y en todo tipo de laboratorios de investigación y desarrollo. Por ejemplo, la carga electrostática de materiales en procesos industriales y durante secuencias de producción o análisis de materiales puede tener efectos negativos (por ejemplo, al dosificar polvos con una espátula o cabezales dosificadores se corre el riesgo de esparcir la sustancia de modo que no pueda introducirse en el recipiente sin derramarse). Las descargas electrostáticas pueden dañar equipos y componentes electrónicos, mientras que las descargas de chispas pueden inflamar fácilmente sustancias inflamables en las inmediaciones, provocando graves accidentes. Por ello, en todo el mundo se gastan millones de dólares en esfuerzos para eliminar las cargas electrostáticas y sus efectos negativos asociados.
Básicos de la electricidad estática
La electricidad estática es el resultado de la fricción entre dos objetos (cuerpos). Este proceso de fricción transfiere electrones de objetos con una función de trabajo menor (donante) a objetos con una función de trabajo mayor (aceptor), lo que da lugar a la producción de iones (figuras 1a y 1b). Un cuerpo con exceso de electrones adquiere una carga negativa, mientras que un cuerpo carente de electrones adquiere una carga positiva. Sin embargo, esto es sólo un cambio temporal en la carga porque cualquier exceso de electrones fluye fuera del cuerpo una vez que tiene una cierta conductividad o está conectado a tierra.
La fricción puede producirse dentro de la propia muestra o entre la muestra y el contenedor o recipiente de tara. Por ejemplo, durante la convección en un horno de secado, la fricción del aire crea una carga en los recipientes de vidrio. Además, la fricción interna de polvos y líquidos cuando se transfieren entre contenedores crea una carga en las partículas dentro de esa muestra. En la práctica, es imposible evitar la fricción durante el procesamiento o el transporte de sustancias. Así, la carga electrostática se produce casi el 100% de las veces. También pueden producirse fuerzas electrostáticas perturbadoras en la zona que rodea a la balanza, debido a la transferencia directa de portadores de carga por parte de las personas que se mueven a su alrededor.
Entre las diversas opciones para eliminar la electricidad estática durante el pesaje analítico, existen medidas sencillas y de bajo coste. Sin embargo, debido a las limitaciones metrológicas y prácticas actuales, muchas de estas medidas son difíciles de utilizar, requieren mucho tiempo y no son de aplicación universal. Por otro lado, existen métodos que son a la vez potentes y ahorran espacio, sobre todo cuando se integran directamente en la balanza.
Impacto directo en el pesaje
Todos los fabricantes de balanzas están llamados a responder con soluciones tecnológicas adecuadas a los problemas del pesaje de sustancias con cargas electrostáticas. La electricidad estática puede tener un efecto negativo tanto en el propio proceso de pesaje como en los resultados, por lo que se requieren procedimientos de selección o manipulación de materiales que necesitan mucho tiempo para hacer frente a estos efectos. En algunos casos, pesar un material puede ser casi imposible debido a la acumulación de cargas electrostáticas durante la manipulación. Además, las propiedades electrostáticas de algunos materiales pueden variar al aumentar o disminuir la humedad ambiental, lo que dificulta aún más el intento de pesarlo. A menudo, los fenómenos electrostáticos empeoran cuando la humedad relativa desciende por debajo del 45%, lo que suele ocurrir en invierno en latitudes europeas o en salas con aire acondicionado. Por lo tanto, los usuarios de balanzas experimentarán condiciones diferentes de una estación a otra o de un día a otro, lo que dificultará la reproducción de sus resultados. La carga electrostática de los materiales puede producirse en las siguientes condiciones:
- En sólidos en los que la resistencia superficial del material (Rs) es >10 GΩ (según IEC93).
- En líquidos con una conductividad de <10 nS/m.
- En materiales conductores que no estén conectados a tierra.
Durante una operación de pesaje, la interacción de las cargas eléctricas que se han acumulado en el material que se está pesando y las partes fijas de la balanza que no están conectadas conductivamente al plato de pesaje hacen que se desarrolle una fuerza electrostática. Así, se crea un campo eléctrico entre el material que se pesa y las partes fijas de la balanza. Algunos ejemplos de partes fijas de la balanza incluyen el protector contra corrientes de aire o la carcasa y la placa base de la balanza. Las fuerzas electrostáticas resultantes pueden provocar cambios de carga (valores indicados) de hasta el orden de un gramo. En la práctica, un peso absoluto falso no es el único efecto negativo asociado a la electricidad estática. La deriva severa de las lecturas de peso y la escasa repetibilidad de los resultados también son problemas graves.
Las cargas acumuladas pueden provocar cambios en el peso (valores mostrados) del orden de un gramo.
Las cargas acumuladas fluyen lentamente a través del plato de pesaje, de modo que las fuerzas resultantes no son constantes a lo largo del tiempo, lo que provoca desviaciones y una repetibilidad deficiente. Dependiendo de la polaridad de la carga, la interacción puede ser repulsiva o atractiva, lo que significa que los resultados de pesaje pueden desviarse tanto positiva como negativamente. Una interacción repulsiva se produce cuando tanto la carga de la muestra como la carga ambiental tienen la misma polaridad (ambas positivas o ambas negativas). El material que se pesa parece más pesado de lo que realmente es (figura 2).
Por otro lado, se produce una interacción atractiva cuando la carga de la muestra y la carga del entorno tienen polaridades diferentes (una positiva y otra negativa). Por lo tanto, una interacción atractiva hará que el material que se está pesando parezca más ligero de lo que realmente es (véase la Fig. 3).
Neutralización de cargas electrostáticas
Para eliminar los efectos de la electricidad estática en el pesaje, mantenga tanto la muestra como el área que la rodea libres de cualquier carga. Un método que ha dado excelentes resultados es proteger la cámara de pesaje y el plato de pesaje de los campos electrostáticos utilizando un revestimiento conductor totalmente transparente en todos los elementos de vidrio del protector contra corrientes de aire de la balanza. Todos los protectores contra corrientes de aire de vidrio de la serie Cubis™ II incluyen esta importante característica. Otra solución incluye el uso de ionizadores y bolígrafos antiestáticos cerca de la balanza (figura 4). Esta solución funciona según el principio de neutralización de la superficie mediante bombardeo iónico, lo que resulta muy eficaz en aquellas situaciones en las que es necesario eliminar la acumulación de cargas en los recipientes y las muestras del entorno externo de la balanza.
El pesaje por debajo de la balanza puede utilizarse para pesar materiales voluminosos, como bloques de plástico. La muestra se sujeta con una percha debajo del plato de pesaje para aprovechar la reducción proporcional de la fuerza electrostática que se produce con el cuadrado de la distancia entre los portadores de carga. Por supuesto, este método de reducción de la influencia de las cargas electrostáticas también puede utilizarse mientras se pesa en el platillo de pesaje; cualquier influencia de las fuerzas electrostáticas en los resultados del pesaje puede reducirse si la distancia entre la muestra y el platillo de pesaje es significativamente menor que la distancia entre la muestra y las partes fijas de la balanza, porque el platillo de pesaje proporciona un escudo eficaz. Sin embargo, si ocurre lo contrario, las cargas electrostáticas seguirán afectando al proceso de pesaje. A veces basta con colocar un objeto entre la muestra y el platillo de pesaje, reduciendo las fuerzas hasta el punto de que no tengan un efecto perceptible en el resultado del pesaje. Para algunas aplicaciones, también basta con aumentar el efecto de apantallamiento del platillo de pesaje. Para ello, se ofrecen platillos especiales con un diámetro mayor que los platillos estándar (figura 5).
También existen balanzas específicas para pesar filtros, que utilizan una jaula de Faraday (una pantalla metálica conectada a tierra) para resolver el problema de las cargas electrostáticas (figura 6). Durante el pesaje, el platillo de pesaje y una cubierta conductora de electricidad unida al platillo protegen completamente los filtros. Estas balanzas de pesaje de filtros se utilizan a menudo para determinar la materia particulada en mediciones de emisiones en la industria del automóvil o en institutos medioambientales.
Equipos útiles para evitar las influencias de las cargas electrostáticas
Generalmente, el tiempo necesario para neutralizar las cargas electrostáticas depende del material, la superficie y la forma de la muestra, así como de la humedad relativa en las proximidades de la balanza. Las balanzas Cubis™ II ofrecen el ionizador Q-Stat, que está integrado en el protector contra corrientes de aire I de la serie de balanzas modulares (en forma de cuatro boquillas colocadas en la pared posterior) y elimina las cargas electrostáticas en pocos segundos (figura 7).
El principio físico funcional de estas boquillas es la descarga de corona, un proceso mediante el cual fluye una corriente desde un electrodo con un alto voltaje hacia el aire. La intensidad del campo eléctrico alrededor de una aguja muy fina es tan alta que las moléculas de aire se ionizan y crean una región de plasma alrededor del electrodo. Los iones generados pasan la carga a zonas de menor potencial y, tras recombinarse con las cargas libres, vuelven a formar moléculas de gas neutro. El uso de cuatro boquillas en la balanza Cubis™ II hace que la eliminación de cargas sea muy eficaz. Al utilizar boquillas de polaridad opuesta, se produce una especie de efecto de focalización en la zona del plato de pesaje. Esto hace que la neutralización de las cargas electrostáticas de los recipientes de muestras y sustancias (por ejemplo, polvos) sin perturbación del flujo de aire sea muy eficaz. Además, la capa conductora totalmente transparente de los paneles del protector contra corrientes de aire de vidrio de este modelo también proporciona una protección adicional contra los campos electrostáticos en la proximidad inmediata de la balanza. Esto también garantiza resultados de pesaje estables y correctos independientemente de la carga electrostática y permite la medición de cantidades muy pequeñas de material (por ejemplo, en filtros), a menudo con el uso de platillos accesorios o portafiltros (figura 8).
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