Отличие статического электричества от обычного. Что значит статическое электричество в нашей жизни. Средства защиты в бытовых условиях

Что такое статическое электричество

Статическое электричество возникает в случае нарушения внутриатомного или внутримолекулярного равновесия вследствие приобретения или потери электрона. Обычно атом находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных частиц - протонов и электронов. Электроны могут легко перемещаются от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Когда происходит такой дисбаланс, возникает статическое электричество.

Электрический заряд электрона - (-) 1,6 х 10 -19 кулон. Протон с таким же по величине зарядом имеет положительную полярность. Статический заряд в кулонах прямо пропорционален избытку или дефициту электронов, т.е. числу неустойчивых ионов.

Кулон – это основная единица статического заряда, определяющая количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1 ампер.

У положительного иона отсутствует один электрон, следовательно, он может легко принимать электрон от отрицательно заряженной частицы. Отрицательный ион в свою очередь может быть либо одиночным электроном, либо атомом/молекулой с большим числом электронов. В обоих случаях существует электрон, способный нейтрализовать положительный заряд.

Как генерируется статическое электричество

Основные причины появления статического электричества:

• Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).

• Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).

• Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля (нерядовые для промышленных производств).

• Резательные операции (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).

• Наведение (вызванное статическим зарядом возникновение электрического поля).

Поверхностный контакт и разделение материалов, возможно, являются наиболее распространенными причинами возникновения статического электричества на производствах, связанных с обработкой рулонных пленок и листовых пластиков. Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания материалов или перемещения друг относительно друга различных слоев материалов.

Этот процесс не вполне понятен, но наиболее правдивое объяснение появления статического электричества в данном случае может быть получено проведением аналогии с плоским конденсатором, в котором механическая энергия при разделении пластин преобразуется в электрическую:

Результирующее напряжение = начальное напряжение х (конечное расстояние между пластинами/начальное расстояние между пластинами).

Когда синтетическая пленка касается подающего/приемного вала, невысокий заряд, перетекающий от материала к валу, провоцирует дисбаланс. По мере того, как материал преодолевает зону контакта с валом, напряжение возрастает точно также как в случае с конденсаторными пластинами в момент их разделения.

Практика показывает, что амплитуда результирующего напряжения ограничена вследствие электрического пробоя, возникающего в промежутке между соседними материалами, поверхностной проводимости и других факторов. На выходе пленки из контактной зоны часто можно слышать слабое потрескивание или наблюдать искрение. Это происходит в момент, когда статический заряд достигает величины, достаточной для пробоя окружающего воздуха.

До контакта с валом синтетическая пленка с точки зрения электричества нейтральна, но в процессе перемещения и контакта с подающими поверхностями поток электронов направляется на пленку и заряжает ее отрицательным зарядом. Если вал металлический и заземленный его положительный заряд быстро стекает.

Большая часть оборудования имеет много валов, поэтому величина заряда и его полярность могут часто меняться. Наилучший способ контроля статического заряда – это его точное определение на участке непосредственно перед проблемной зоной. Если заряд нейтрализован слишком рано, он может восстановиться до того, как пленка достигнет этой проблемной зоны.

Полярность заряда

Статический заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Для разрядников постоянного тока (AC) и пассивных разрядников (щеток) полярность заряда обычно не важна.

Проблемы, связанные со статическим электричеством

Статический разряд в электронике

На эту проблему необходимо обратить внимание, т.к. она часто возникает в процессе обращения с электронными блоками и компонентами, использующимися в современных контрольно-измерительных устройствах.

В электронике основная опасность, связанная со статическим зарядом, исходит от человека, несущего заряд, и пренебрегать этим нельзя. Ток разряда порождает тепло, которое приводит к разрушению соединений, прерыванию контактов и разрыву дорожек микросхем. Высокое напряжение уничтожает также тонкую оксидную пленку на полевых транзисторах и других элементах, имеющих покрытие.

Часто компоненты не полностью выходят из строя, что можно считать еще более опасным, т.к. неисправность проявляется не сразу, а в непредсказуемый момент в процессе эксплуатации устройства.

Общее правило: при работе с чувствительными к статическому электричеству деталями и устройствами необходимо всегда принимать меры для нейтрализации заряда, накопленного на теле человека.

Электростатическое притяжение/отталкивание

Это, возможно, наиболее широко распространенная проблема, возникающая на предприятиях, связанных с производством и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Она проявляется в том, что материалы самостоятельно меняют свое поведение - склеиваются между собой или, наоборот, отталкиваются, прилипают к оборудованию, притягивают пыль, неправильно наматываются на приемное устройство и пр.

Притягивание/отталкивание происходит в соответствии с законом Кулона, в основе которого лежит принцип противоположности квадрата. В простой форме он выражается следующим образом:

Сила притяжения или отталкивания (в Ньютонах) = Заряд (А) х Заряд (В) / (Расстояние между объектами 2 (в метрах)).

Следовательно, интенсивность проявления этого эффекта напрямую связана с амплитудой статического заряда и расстоянием между притягивающимися или отталкивающимися объектами. Притягивание и отталкивание происходят в направлении силовых линий электрического поля.

Если два заряда имеют одинаковую полярность – они отталкиваются, если противоположную – притягиваются. Если один из объектов заряжен, он будет провоцировать притягивание, создавая зеркальную копию заряда на нейтральных объектах.

Риск возникновения пожара

Риск возникновения пожара не является общей для всех производств проблемой. Но вероятность возгорания очень велика на полиграфических и других предприятиях, где используются легковоспламеняющиеся растворители.

В опасных зонах наиболее распространенными источниками возгорания являются незаземленное оборудование и подвижные проводники. Если на операторе, находящемся в опасной зоне, надета спортивная обувь или туфли на токонепроводящей подошве, существует риск, что его тело будет генерировать заряд, способный спровоцировать возгорание растворителей. Незаземленные проводящие детали машин также представляют опасность. Все, что находится в опасной зоне должно быть хорошо заземлено.

Нижеследующая информация дает краткое пояснение способности статического разряда провоцировать возгорание в легковоспламеняющихся средах. Важно, чтобы неопытные продавцы были заранее осведомлены о видах оборудования, чтобы не допустить ошибки в подборе устройств для применения в таких условиях.

Способность разряда провоцировать возгорание зависит от многих переменных факторов:

• типа разряда;

• мощности разряда;

• источника разряда;

• энергии разряда;

• наличия легковоспламеняющейся среды (растворителей в газовой фазе, пыли или горючих жидкостей);

• минимальной энергии воспламенения (МЭВ) легковоспламеняющейся среды.

Типы разряда

Существует три основных типа – искровой, кистевой и скользящий кистевой разряды. Коронный разряд в данном случае во внимание не принимается, т.к. он отличается невысокой энергией и происходит достаточно медленно. Коронный разряд чаще всего неопасен, его следует учитывать только в зонах очень высокой пожаро- и взрывоопасности.

Искровой разряд

В основном он исходит от умеренно проводящего, электрически изолированного объекта. Это может быть тело человека, деталь машины или инструмент. Предполагается, что вся энергия заряда рассеивается в момент искрения. Если энергия выше МЭВ паров растворителя, может произойти воспламенение.

Энергия искры рассчитывается следующим образом: Е (в Джоулях) = ½ С U2.

Кистевой разряд

Кистевой разряд возникает, когда заостренные части деталей оборудования концентрируют заряд на поверхностях диэлектрических материалов, изоляционные свойства которых приводят к его накоплению. Кистевой разряд отличается более низкой энергией по сравнению с искровым и, соответственно, представляет меньшую опасность в отношении воспламенения.

Скользящий кистевой разряд

Скользящий кистевой разряд происходит на листовых или рулонных синтетических материалах с высоким удельным сопротивлением, имеющих повышенную плотность заряда и разную полярность зарядов с каждой стороны полотна. Такое явление может быть спровоцировано трением или распылением порошкового покрытия. Эффект сравним с разрядкой плоского конденсатора и может представлять такую же опасность, как искровой разряд.

Источник и энергия разряда

Величина и геометрия распределения заряда являются важными факторами. Чем больше объем тела, тем больше энергии оно содержит. Острые углы повышают мощность поля и поддерживают разряды.

Мощность разряда

Если объект, имеющий энергию, не очень хорошо проводит , например, человеческое тело, сопротивление объекта будет ослаблять разряд и понижать опасность. Для человеческого тела существует эмпирическое правило: считать, что любые растворители с внутренней минимальной энергией воспламенения менее 100 мДж могут воспламениться несмотря на то, что энергия, содержащаяся в теле, может быть выше в 2 – 3 раза.

Минимальная энергия воспламенения МЭВ

Минимальная энергия воспламенения растворителей и их концентрация в опасной зоне являются очень важными факторами. Если минимальная энергия воспламенения ниже энергии разряда, возникает риск возгорания.

Электропоражение

Вопросу риска статического удара в условиях промышленного предприятия уделяется все больше внимания. Это связано с существенным повышением требований к гигиене и безопасности труда.

Электропоражение, спровоцированное статическим электричеством, в принципе не представляет особой опасности. Оно просто неприятно и часто вызывает резкую реакцию.

Существуют две общие причины статического удара:

Наведенный заряд

Если человек находится в электрическом поле и держится за заряженный объект, например, за намоточную бобину для пленки, возможно, что его тело зарядится.

Заряд остается в теле оператора, если он находится в обуви на изолирующей подошве, до того момента, пока он не дотронется до заземленного оборудования. Заряд стекает на землю и поражает человека. Такое происходит и в случае, когда оператор дотрагивается до заряженных объектов или материалов – из-за изолирующей обуви заряд накапливается в теле. Когда оператор трогает металлические детали оборудования, заряд может стечь и спровоцировать электроудар.

При перемещении людей по синтетическим ковровым покрытиям порождается статический заряд при контакте между ковром и обувью. Электроудары, которые получают водители, покидая свою машину, провоцируются зарядом, возникшим между сиденьем и их одеждой в момент подъема. Решение этой проблемы – дотронуться до металлической детали автомобиля, например, до рамы дверного проема, до момента подъема с сиденья. Это позволяет заряду безопасно стекать на землю через кузов автомобиля и его шины.

Электропоражение, спровоцированное оборудованием

Такой электроудар возможен, хотя происходит значительно реже, чем поражение, спровоцированное материалом.

Если намоточная бобина имеет значительный заряд, случается, что пальцы оператора концентрируют заряд до такой степени, что он достигает точки пробоя и происходит разряд. Помимо этого, если металлический незаземленный объект находится в электрическом поле, он может зарядиться наведенным зарядом. По причине того, что металлический объект является токопроводящим, подвижный заряд разрядится в человека, который дотрагивается до объекта.

Статическое напряжение появляется в случае нарушения внутриатомного либо внутримолекулярного равновесия вследствие приобретения либо утраты электрона. Обычно атом находится в сбалансированном состоянии благодаря схожему числу положительных и отрицательных частиц — протонов и электронов. Электроны могут просто передвигаются от 1-го атома к другому. При всем этом они сформировывают положительные (где отсутствует электрон) либо отрицательные (одиночный электрон либо атом с дополнительным электроном) ионы. Когда происходит таковой дисбаланс, появляется статическое напряжение.

Электронный заряд электрона — (-) 1,6 х 10-19 кулон. Протон с таким же по величине зарядом имеет положительную полярность. Статический заряд в кулонах прямо пропорционален излишку либо недостатку электронов, т.е. числу неуравновешенных ионов. Кулон – это основная единица статического заряда, определяющая количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1 ампер.

У положительного иона отсутствует один электрон, как следует, он может просто принимать электрон от негативно заряженной частички. Отрицательный ион в свою очередь может быть или одиночным электроном, или атомом/молекулой с огромным числом электронов. В обоих случаях существует электрон, способный нейтрализовать положительный заряд.

Как генерируется статическое напряжение

Главные предпосылки возникновения статического напряжения:

1. Контакт меж 2-мя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).

2. Резвый температурный перепад (к примеру, в момент помещения материала в духовой шкаф).

3. Радиация с высочайшими значениями энергии, уф-излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электронные поля (нерядовые для промышленных производств).

4. Резательные операции (к примеру, на раскроечных станках либо бумагорезальных машинах).

5. Наведение (вызванное статическим зарядом появление электронного поля).

Поверхностный контакт и разделение материалов, может быть, являются более всераспространенными причинами появления статического напряжения на производствах, связанных с обработкой рулонных пленок и листовых пластиков. Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания материалов либо перемещения друг относительно друга разных слоев материалов. Этот процесс не полностью понятен, но более правдивое разъяснение возникновения статического напряжения в этом случае может быть получено проведением аналогии с плоским конденсатором, в каком механическая энергия при разделении пластинок преобразуется в электронную:

Результирующее напряжение = изначальное напряжение х (конечное расстояние меж пластинами/изначальное расстояние меж пластинами).

Когда синтетическая пленка касается подающего/приемного вала, низкий заряд, перетекающий от материала к валу, провоцирует дисбаланс. По мере того, как материал преодолевает зону контакта с валом, напряжение растет точно также как в случае с конденсаторными пластинами в момент их разделения.

Практика указывает, что амплитуда результирующего напряжения ограничена вследствие электронного пробоя, возникающего в промежутке меж примыкающими материалами, поверхностной проводимости и других причин. На выходе пленки из контактной зоны нередко можно слышать слабенькое потрескивание либо следить искрение. Это происходит в момент, когда статический заряд добивается величины, достаточной для пробоя окружающего воздуха. До контакта с валом синтетическая пленка исходя из убеждений электричества нейтральна, но в процессе перемещения и контакта с подающими поверхностями поток электронов направляется на пленку и заряжает ее отрицательным зарядом. Если вал железный и заземленный его положительный заряд стремительно стекает.

Большая часть оборудования имеет много валов, потому величина заряда и его полярность могут нередко изменяться. Лучший метод контроля статического заряда – это его четкое определение на участке конкретно перед проблемной зоной. Если заряд нейтрализован очень рано, он может восстановиться до того, как пленка достигнет этой проблемной зоны.

В теории появление статического заряда может быть проиллюстрировано обычный электронной схемой: C – делает функцию конденсатора, который копит заряд, как батарея. Это обычно поверхность материала либо изделия.

R – сопротивление, способное ослабить заряд материала/механизма (обычно при слабенькой циркуляции тока). Если материал является проводником, заряд стекает на землю и не делает заморочек. Если же материал является изолятором, заряд не сумеет стекать, и появляются трудности. Искровой разряд появляется в этом случае, когда напряжение скопленного заряда добивается предельного порога.

Токовая нагрузка — заряд, сгенерированный, к примеру, в процессе перемещения пленки по валу. Ток заряда заряжает конденсатор (объект) и увеличивает его напряжение U. В то время как напряжение увеличивается, ток течет через сопротивление R. Баланс будет достигнут в момент, когда ток заряда станет равен току, циркулирующему по замкнутому контуру сопротивления. (Закон Ома: U = I х R).

Если объект имеет способность копить значимый заряд, и если имеет место высочайшее напряжение, статическое напряжение приводит к появлению таких суровых заморочек, как искрение, электростатическое отталкивание/притягивание либо электропоражение персонала.

Полярность заряда

Статический заряд может быть или положительным, или отрицательным. Для разрядников неизменного тока (AC) и пассивных разрядников (щеток) полярность заряда обычно не принципиальна.

Трудности, связанные со статическим напряжением

Существует 4 главные области:

Статический разряд в электронике

На эту делему нужно направить внимание, т.к. она нередко появляется в процессе воззвания с электрическими блоками и компонентами, использующимися в современных контрольно-измерительных устройствах.

В электронике основная опасность, связанная со статическим зарядом, исходит от человека, несущего заряд, и третировать этим нельзя. Ток разряда порождает тепло, которое приводит к разрушению соединений, прерыванию контактов и разрыву дорожек микросхем. Высочайшее напряжение уничтожает также узкую оксидную пленку на полевых транзисторах и других элементах, имеющих покрытие.

Нередко составляющие не стопроцентно выходят из строя, что можно считать еще больше небезопасным, т.к. неисправность проявляется не сходу, а в непредсказуемый момент в процессе использования устройства.

Общепринятое правило: при работе с чувствительными к статическому электричеству деталями и устройствами нужно всегда принимать конструктивные меры для нейтрализации заряда, скопленного на человеческом теле. Подробная информация по этому вопросу содержится в документах евро эталона CECC 00015.

Электростатическое притяжение/отталкивание

Это, может быть, более обширно всераспространенная неувязка, возникающая на предприятиях, связанных с созданием и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Она проявляется в том, что материалы без помощи других меняют свое поведение — склеиваются меж собой либо, напротив, отталкиваются, прилипают к оборудованию, притягивают пыль, некорректно наматываются на приемное устройство и пр.

Притягивание/отталкивание происходит в согласовании с законом Кулона, в базе которого лежит принцип противоположности квадрата. В обычный форме он выражается последующим образом:

Сила притяжения либо отталкивания (в Ньютонах) = Заряд (А) х Заряд (В) / (Расстояние меж объектами 2 (в метрах)).

Как следует, интенсивность проявления этого эффекта впрямую связана с амплитудой статического заряда и расстоянием меж притягивающимися либо отталкивающимися объектами. Притягивание и отталкивание происходят в направлении силовых линий электронного поля.

Если два заряда имеют схожую полярность – они отталкиваются, если обратную – притягиваются. Если один из объектов заряжен, он будет стимулировать притягивание, создавая зеркальную копию заряда на нейтральных объектах.

Риск появления пожара

Риск появления пожара не является общей для всех производств неувязкой. Но возможность возгорания очень велика на полиграфических и других предприятиях, где употребляются легковоспламеняющиеся растворители.

В небезопасных зонах более всераспространенными источниками возгорания являются незаземленное оборудование и подвижные проводники. Если на операторе, находящемся в небезопасной зоне, насажена спортивная обувь либо туфли на токонепроводящей подошве, существует риск, что его тело будет генерировать заряд, способный спровоцировать возгорание растворителей. Незаземленные проводящие детали машин также представляют опасность. Все, что находится в небезопасной зоне должно быть отлично заземлено.

Нижеследующая информация дает короткое пояснение возможности статического разряда стимулировать возгорание в легковоспламеняющихся средах. Принципиально, чтоб неопытные торговцы были заблаговременно ознакомлены о видах оборудования, чтоб не допустить ошибки в подборе устройств для внедрения в таких критериях.

Способность разряда стимулировать возгорание находится в зависимости от многих переменных причин:
— типа разряда;
— мощности разряда;
— источника разряда;
— энергии разряда;
— наличия легковоспламеняющейся среды (растворителей в газовой фазе, пыли либо горючих жидкостей);
— малой энергии воспламенения (МЭВ) легковоспламеняющейся среды.

Типы разряда

Существует три главных типа – искровой, кистевой и скользящий кистевой разряды. Коронный разряд в этом случае во внимание не принимается, т.к. он отличается низкой энергией и происходит довольно медлительно. Коронный разряд в большинстве случаев безопасен, его следует учесть исключительно в зонах очень высочайшей пожаро- и взрывоопасности.

Искровой разряд

В главном он исходит от равномерно проводящего, электрически изолированного объекта. Это может быть человеческое тело, деталь машины либо инструмент. Подразумевается, что вся энергия заряда рассеивается в момент искрения. Если энергия выше МЭВ паров растворителя, может произойти воспламенение.

Энергия искры рассчитывается последующим образом: Е (в Джоулях) = ½ С U2.

Кистевой разряд

Кистевой разряд появляется, когда заостренные части деталей оборудования концентрируют заряд на поверхностях диэлектрических материалов, изоляционные характеристики которых приводят к его скоплению. Кистевой разряд отличается более низкой энергией по сопоставлению с искровым и, соответственно, представляет наименьшую опасность в отношении воспламенения.

Скользящий кистевой разряд

Скользящий кистевой разряд происходит на листовых либо рулонных синтетических материалах с высочайшим удельным сопротивлением, имеющих завышенную плотность заряда и разную полярность зарядов с каждой стороны полотна. Такое явление может быть спровоцировано трением либо распылением порошкового покрытия. Эффект сравним с разрядкой плоского конденсатора и может представлять такую же опасность, как искровой разряд.

Источник и энергия разряда

Величина и геометрия рассредотачивания заряда являются необходимыми факторами. Чем больше объем тела, тем больше энергии оно содержит. Острые углы увеличивают мощность поля и поддерживают разряды.

Мощность разряда

Если объект, имеющий энергию, не прекрасно проводит электронный ток, к примеру, тело человека, сопротивление объекта будет ослаблять разряд и понижать опасность. Для тела человека существует эмпирическое правило: считать, что любые растворители с внутренней малой энергией воспламенения наименее 100 мДж могут возгореться невзирая на то, что энергия, содержащаяся в теле, может быть выше в 2 – 3 раза.

Малая энергия воспламенения МЭВ

Малая энергия воспламенения растворителей и их концентрация в небезопасной зоне являются очень необходимыми факторами. Если малая энергия воспламенения ниже энергии разряда, появляется риск возгорания. Электропоражение

Вопросу риска статического удара в критериях промышленного предприятия уделяется больше внимания. Это связано с значимым увеличением требований к гигиене и безопасности труда.

Электропоражение, спровоцированное статическим напряжением, в принципе не представляет особенной угрозы. Оно просто неприятно и нередко вызывает резкую реакцию.

Есть две общие предпосылки статического удара:

Наведенный заряд

Если человек находится в электронном поле и держится за заряженный объект, к примеру, за намоточную бобину для пленки, может быть, что его тело зарядится.

Заряд остается в теле оператора, если он находится в обуви на изолирующей подошве, до того момента, пока он не дотронется до заземленного оборудования. Заряд стекает на землю и поражает человека. Такое происходит и в случае, когда оператор дотрагивается до заряженных объектов либо материалов – из-за изолирующей обуви заряд скапливается в теле. Когда оператор трогает железные детали оборудования, заряд может стечь и спровоцировать электроудар.

При перемещении людей по синтетическим ковровым покрытиям порождается статический заряд при контакте меж ковром и обувью. Электроудары, которые получают водители, покидая свою машину, провоцируются зарядом, появившимся меж сидением и их одежкой в момент подъема. Решение этой трудности – дотронуться до железной детали автомобиля, к примеру, до рамы дверного проема, до момента подъема с сидения. Это позволяет заряду неопасно стекать на землю через кузов автомобиля и его шины.

Электропоражение, спровоцированное оборудованием

Таковой электроудар вероятен, хотя происходит существенно пореже, чем поражение, спровоцированное материалом.

Если намоточная бобина имеет значимый заряд, случается, что пальцы оператора концентрируют заряд до таковой степени, что он добивается точки пробоя и происходит разряд. Кроме этого, если железный незаземленный объект находится в электронном поле, он может зарядиться наведенным зарядом. Из-за того, что железный объект является токопроводящим, подвижный заряд разрядится в человека, который дотрагивается до объекта.

Под статическим электричеством понимают совокупность явлений, связанных с возникновением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности, или в объеме диэлектриков, или на изолированных проводниках.

Образование и накопление зарядов на перерабатываемом материале связано с двумя условиями. Во-первых, должен произойти контакт поверхностей, в результате которого образуется двойной электрический слой. Во-вторых, хотя бы одна из контактирующих поверхностей должна быть из диэлектрического материала. Заряды будут оставаться на поверхности после их разделения только в том случае, если время разрушения контакта меньше времени релаксации зарядов. Последнее, в значительной степени, определяет величину зарядов на разделенных поверхностях.

Двойной электрический слой - это пространственное распределение электрических зарядов на границах соприкосновения двух фаз. Такое распределение зарядов наблюдается на границе металл - металл, металл - вакуум, металл - газ, металл - полупроводник, металл - диэлектрик, диэлектрик - диэлектрик, жидкость - твердое тело, жидкость - жидкость, жидкость - газ.

Основная величина, характеризующая способность к электризации, - удельное электрическое сопротивление поверхностей контактируемых материалов. Если контактирующие поверхности имеют низкое сопротивление, то при разделении заряды с них стекают и раздельные поверхности несут незначительный заряд. Если же сопротивление высокое или велика скорость отрыва поверхностей, то заряды будут сохраняться.

Следовательно, основные факторы, влияющие на электризацию веществ, - их электрофизические параметры и скорость разделения.

Условно принято, что при удельном электрическом сопротивлении материалов менее 10 5 Ом м заряды не сохраняются и материалы не электризуются.

Опытами установлено, что при соприкосновении (трении) двух диэлектриков тот из них, который имеет большее значение диэлектрической проницаемости, заряжается положительно, в то время как материал с меньшей диэлектрической проницаемостью заряжается отрицательно.

Под разрядами статистического электричества понимают процессы выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, несущими разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми разрядными явлениями. При возникновении искр могут воспламениться горючие газы или пары, или инициироваться взрывоопасные смеси, а вызванные разрядами электромагнитные поля могут повредить электронные элементы, вывести из строя или нарушить функции электронного оборудования.

Заряды статического электричества, вызывающие опасные воздействия, могут возникать различными путями. Однако при изготовлении и применении электронных элементов и приборов существенны два механизма электризации: за счет индукции и трения.

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды - от 3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости C AB тел между собой:

U AB =Q/C AB .

Рис. 3.11 иллюстрирует влияние используемых материалов, а также относительной влажности воздуха на величину напряжения, которое может быть получено при электризации.

Таблица 3.1. Ориентировочные значения напряжений статических зарядов при относительной влажности воздуха 24 % и температуре 21 0 С

С электронными деталями, элементами и приборами необходимо особенно осторожное обращение, чтобы избежать их повреждения из-за электростатических явлений.

Особое значение при обращении с электронными приборами имеет возможный электростатический заряд тела человека, попадающий на переключающие схемы, печатные платы, элементы управления, корпусы приборов при их транспортировке, монтаже, испытаниях, эксплуатации, ремонте и сервисном обслуживании. Тело человека обладает ёмкостью относительно земли пФ. Если человек идет по полу с синтетическим покрытием, то эта емкость может зарядиться приблизительно до U max =15 кВ, накопленная энергия

При приближении человека к заземленному корпусу электронного прибора произойдет искровой разряд, и так как обычно соблюдается условие

то будет иметь место апериодический процесс.

Наиболее сильное воздействие разрядов статистического электричества получается тогда, когда в руке имеется металлический предмет (ключ, отвёртка, проводящие браслеты и т.д.). В этом случае крутизна тока, определяющая индуктированные напряжения помех, может достигать 100 А/нс.

Наблюдаются также разряды статистического электричества в компьютерных залах, кабинетах управления, испытательных помещениях с подвижных предметов (кресел, приборных тележек, полок с печатной бумагой, пылесосов) на корпусы электронных приборов при их случайном касании.

Каждый разряд статистического электричества сопровождается электрическими и магнитными полями.

При этом в непосредственной близости от разряда создаётся электрическое поле 4 кВ/м на расстоянии до 10 см и 1 кВ/м на расстоянии 20 см. Аналогично, магнитное поле равно 15 А/м на расстоянии 10 см и 4 А/м на расстоянии 20 см.

При разряде статистического электричества чаще всего наблюдаются сбои в работе высокоскоростных цифровых узлов, а также цифровых интерфейсных элементов. При подаче на разъёмы, клавиатуры, элементы индикации и т.п. возможно физическое повреждение интерфейсных элементов.

Особенно опасно воздействие разрядов статического электричества на незащищенные узлы аппаратуры. Поэтому при любых ремонтных и наладочных работах нужно соблюдать требования электростатической безопасности. При профессиональной сборке аппаратуры используют антистатические покрытия и т.п. В условиях эксплуатации эти требования удаётся выполнить не всегда. Однако минимальные меры предосторожности соблюдать всё же стоит: например, перед прикосновением к узлам аппаратуры следует дотронутся до заземленных металлоконструкций, что позволит снять избыточный заряд.

Люди постоянно сталкиваются со статическим электричеством, точнее с его проявлениями (в своей квартире, в автомобиле, на производстве и т.д.). Однако не многие из нас всерьез задумывались о природе его возникновения, физических свойствах, характеристиках, средствах защиты от статического электричества. Настоящая статья посвящена поиску ответов на перечисленные вопросы.

Что такое статическое электричество

Для молекулы или атома любого вещества нормальным является равновесное состояние, т.е. число положительных (протонов) и отрицательных (электронов) частиц в атоме одинаково. Но электроны вещества могут легко (у разных материалов по разному) перемещаться от одного атома к другому, тем самым формируя положительный (недостающий электрон) или отрицательный (избыточные электрон) заряд атома. Именно такой дисбаланс в атомах и молекулах формирует статическое электрополе. Такие поля нестабильны и при первой же возможности разряжаются.

ГОСТ 17.1.018-79 “Статическое электричество. Искробезопастность» трактует термин «статическое электричество» как способность свободных электрических зарядов возникать, сохраняться и релаксировать в объеме и на поверхности полупроводников и диэлектриков.
Обязательным «спутником» статического поля является сухой воздух. При влажности выше 80% такие поля практически никогда не формируют т.к. вода является отличным проводником и не позволяет избыточному электричеству накапливаться на поверхности материалов.

Источники возникновения статического поля и причины его генерирования

Все мы помним со школьного курса физики опыт с эбонитовым стержнем, или пластмассовой расческой и куском шерстяной ткани. После натирания стержня тканью он был способен притягивать к себе мелко нарезанные кусочки бумаги.

Трение двух поверхностей является самым распространенным источников возникновения статического поля. Необязательно тереть два материала друг о друга. Статическое поле может возникнуть при одиночном контакте, к примеру, в случае наматывания/разматывания тканевой ленты.

Также источниками генерирования статического поля могут служить:

• Резкие температурные перепады;
• Высокий уровень радиации.

Статическое поле может быть «самоприобретенным» и «наведенным», т.е. полученным от другого сильно наэлектризованного объекта без непосредственного контакта с ним. Такой метод «принудительной электризации» называют индукцией.

Всем нам хорошо известен электрический треск при снятии верхней одежды или «электрический удар» от кузова автомобиля. Мы наблюдаем и нередко испытываем на себе действие статических разрядов при расчесывании волос, нарезании бумаги, переливании бензина и т.д.

Обязательным условием для генерирования статического электрополя является наличие магнитных полей. Таким образом, следует констатировать, что свободные заряды окружают нас постоянно. Но человеку этого мало и он активно использует в своей повседневной жизни и работе огромное количество различных электрических устройств, тем самым только увеличивая общую «электрическую напряженность» среды обитания.

Сфера использования

Электростатические приборы и устройства, принцип действия которых основывался на трении, так и не смогли покинуть лабораторных полок и учебных, где они, преимущественно, используются в качестве демонстрационного материала.

Попытки использовать статические поля для генерации электрического тока тоже не принесло особых успехов. Генераторы Ван Дер Граафа и Феличи, которые были созданы в 30-ом и 40-ом году прошлого столетия, тоже не нашли себе широкого применения, т.к. это оборудование было достаточно громоздко.

К тому же их функционирование и техническое обслуживание обходилось очень дорого.

Очень полезным с точки зрения промышленного применения, оказалось открытие коронного разряда, который широко применяется в различных областях промышленности. В частности, с его помощью, можно очищать газы от различных примесей и наносить краску на поверхность любой конфигурации.

Проблемы, связанные со статическим электричеством

Значительно большее внимание сегодня уделяется проблемам, которые являются прямым следствием накопленного электростатического напряжения. Электроудары различной мощности могут поражать человека, как в домашних условиях, так и на работе.

К примеру, свитер из синтетической ткани, в результате трения со спинкой кресла или с материалом верхней одежды, способен накапливать разряд, который «даст о себе знать» при его снимании. Гораздо мощнее бьет при прикосновения к кузову автомобиля, который наэлектризовался от трения об воздух.

Любой электрический прибор, будь то кухонный комбайн, ноутбук, монитор компьютера или пылесос, обязательно несет в себе электростатический заряд, который «охотно» переходит в человека при контакте. Такой «переход» может вызывать, а может и не вызывать болезненные ощущения, но он однозначно вреден для человеческого организма.

Ученые давно доказали, что воздействие энергии статического электричества представляет опасность для здоровья человека, в частности для сердечно-сосудистой и центральной нервной системы.

Защита

В упоминаемом ранее, ГОСТе детально рассматриваются способы защиты от влияния статических полей, самым простым из которых является надежное заземление оборудования.

Что можно сделать защиты от статических полей помещений частного дома и промышленных помещений?

Видео: как избавиться от статического электричества.
https://www.youtube.com/watch?v=ls-hBlqJu9Y

Для защиты людей и высокоточного оборудования от воздействия статического электричества на производстве используют специальные экраны и другие электромеханические приспособления. Для подавления электризации в жидких полимерах применяют специальные присадки и растворители. Широко используются в качестве для защиты от статического электричества в быту и на производстве различные антистатики.

Это химические вещества, имеющие низкую молекулярную массу, что позволяет их молекулам легко перемещаться и, в дополнение к этому, вступать реакцию с атмосферной влагой. Совокупность этих характеристик позволяет им рассеивать очаги возникновения статических полей и снимать статистическое напряжение с человека.

Феномен статического электричества известен давно, и каждый из нас сталкивается с проявлениями его почти ежедневно. При одевании или снимании одежды из синтетического материала, контакте с экраном телевизора или компьютера зачастую возникает ощутимый электрический разряд. В современном мире эффект статического элект­ричества получил широкое практическое применение (печатные и копировальные аппараты, окраска). Однако раз­ряд статического электричества может привести и к трагическим последствиям.

Впервые возможности статического электричества вызывать возникновение взрыва и пожара были обнаружены в 1893 г. американцем Рихтером, который пытался улучшить процесс сухой химчистки одежды и попробовал ввести порошок магнезии в бензол, используемый в процессе чистки, для увеличения его токопроводности.

В топливной и химической индустрии проблему возникновения зарядов статического электричества начали глубо­ко изучать В начале 30-х гг., после нескольких взрывов на заводах компании SHELL. На морском же транспорте изучением этой проблемы занялись несколько позже, в середине 60-х гг., опять же после серии взрывов на танкерах, которые перевозили сырую нефть. Были проведены фундаментальные исследования в области возникновения зарядов статического электричества на танкерах при различных технологических операциях и определены международные тре­бования по предотвращению образования электростатических разрядов.

Рассмотрим природу образования электростатического заряда.

Причины возникновения зарядов статического электричества. Существует три этапа, последовательно приводящих к возникновению опасности воспламенения горючих смесей при воздействии статического электричества, а именно:

Разделение заряда;

Накопление заряда;

Разряд статического электричества.

Известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заря­женные частицы - электроны. Сумма всех отрицательных зарядов в теле по абсолютному значению равна сумме всех положительных зарядов в нем, поэтому в целом тело электрически нейтрально и не имеет заряда.

Электроны, находящиеся на периферийных орбитах атома, могут сравнительно легко покидать свое место и переходить на орбиты атомов другого тела или вещества. Тот атом, который потеряет электроны, будет испытывать их недостаток и получит положительный заряд. Атом-же, на орбиты которого перейдет оторвавшийся электрон, будет иметь избыток электронов, а заряд его станет отрицательным. Иначе говоря, при перемещении электронов с орбиты одного атома на орбиту другого происходит перераспределение зарядов, и при этом один атом получает положительный заряд, а другой отрицательный. Такие заряженные атомы называются ионами.

При электризации тел заряды не создаются, а только разделяются: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Например, при трении эбонитовой палочки о шерсть, эбонит получает отрицательный заряд, а шерсть заряжается положительно.

Перетекшие электронов происходит только в случае взаимодействия атомов с различной плотностью электронов.

Всякий раз, когда в контакт входят два неоднородных материала, на поверхности, разделяющей эти материалы, происходит разделение заряда. Эта поверхность может разделять два твердых тела, твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости. На поверхности раздела заряд одного знака, например положительного, перемещается от материала А к материалу В таким образом, что эти материалы становятся соответственно положительно и отрица­тельно заряженными. Пока материалы А и В неподвижны и контактируют друг с другом, заряды находятся чрезвы­чайно близко друг к другу. В таком случае незначительная разность потенциалов между зарядами противоположного знака не представляет какой-либо угрозы.

Интенсивное разделение зарядов происходит в результате таких действий, как:

Прохождение потока жидкости через трубы или мелкоячеистые фильтры,

Осаждение частиц твердого тела или несмешивающейся жидкости через другую жидкость,

Выброс мелких капель или частиц из сопла,

Всплескивание или взбалтывание жидкости при ее соприкосновении с твердой поверхностью,

Сильное трение друг о друга некоторых материалов.

Когда заряды разъединяются, между ними образуется большая разность потенциалов. При этом в окружающем пространстве также происходит распределение разности потенциалов, иначе говоря, формируется электрическое поле (т. е. во время мойки танка при распылении жидкости электростатическое поле возникает во всем объеме танка).

Если в электростатическое поле поместить незаряженный проводник, то он получит примерно такой же потенци­ал, как и поле, в котором он находится. Более того, поле приводит в движение заряды внутри проводника, заряд одного знака притягивается полем к одному концу проводника, на другом же конце проводника формируется равный по величине заряд противоположного знака. Заряды, разделенные таким образом, называются индуцированными, они накапливаются в электростатическом поле.

Заряд может возникать и там, где не происходит непосредственного контакта между заряженными телами, а также при воздействии на материал другого заряженного тела, что вызывает формирование положительных и отрица­тельных ионов. Например, при прохождении грозового облака над высоким зданием или судном, в последних фор­мируются положительные и отрицательные ионы, хотя непосредственного контакта между материалами или зарядами не было. Это приводит к тому, что одно и то же вещество или тело может нести противоположные заряды.

Вокруг заряженного тела происходит формирование электрического поля, своего рода отображение простран­ства вокруг заряженного тела. В двух противоположных точках электрического поля определяется разность потенциа­лов в вольтах. Напряженность электрвстатнческвге пвля впределяется в вольтах на метр (В/м).

В однородном электрическом поле напряженность поля определяется как разность потенциала на метр. Величина напряженности поля определяет возможность возникновения разряда. В сухом воздухе искровой электрический раз­ряд может произойти при величине напряженности электрического поля около 3 000 000 В/м. Однако если поместить в поле заземленный проводник, то даже при слабой напряженности поля можно получить значительный электричес­кий разряд.

Накопление заряда. Ранее разделенные заряды стремятся вновь соединиться между собой и нейтрализовать друг друга. Этот процесс известен как релаксация заряда. Если один из материалов или оба эти материала, несущие электростатический заряд, обладают низкой токопроводностыо, то повторное соединение зарядов затруднено и дан­ный материал аккумулирует (накапливает) заряд на себе.

Время, в течение которого сохраняется заряд, характеризуется временем релаксации

данного материала, которое соотносится с его токопроводностью. Чем меньше токопроводность

материала, тем больше период релаксации заряда.

Если же проводимость материала высока, то заряды соединяются очень быстро, тем самым препятствуя процессу их разъединения, в результате чего происходит очень незначительное аккумулирование заряда или же он не аккумули­руется совсем. Материал с такой проводимостью может сохранять или аккумулировать заряд только в том случае, если он окружен диэлектриком. При этом скорость потери им заряда будет зависеть от времени релаксации диэлект­рика.

Можно сказать, что наиболее важным фактором, определяющим время релаксации материала, является его электропроводность.

Все материалы по степени их токопроводиости условно можно разделить на три основные группы.

Первая группа - проводники. К твердым проводникам относится большинство металлов, а к жидким - целый диапазон водных растворов солей, включая морскую воду. Человеческое тело, более чем на 60% состоящее из воды, также является проводником электрического тока. К важным свойствам жидких проводников относится не только их неспособность удерживать электрический заряд, если они не изолированы, но и почти мгновенное разряжение, если они изолированы и существует возможность электрического разряда. Иными словами, полученный заряд распростра­няется равномерно по всему материалу, а при соприкосновении с заземлением мгновенно исчезает.

Очень часто разряды между двумя проводниками происходят в виде искры, в таком случае они гораздо опаснее, чем разряды, возникающие между проводником и диэлектриком. При релаксации заряда между проводником и ди­электриком возникают не искровые, а коронные или кистевые разряды.

Вторая группа - диэлектрики или изоляторы. Если заряд возникает только в месте соприкосновения или разъеди­нения материалов, то такие материалы называются диэлектриками.

Заряженные диэлектрики доставляют заряд в место, где может произойти непосредственный контакт заряда с проводником. Сильно заряженные диэлектрики могут непосредственно инициировать воспламеняющие искры. Жид­кости рассматриваются как диэлектрики, если их проводимость менее 50 пикоСименсов на метр (пСм/м) с периодом релаксации не более 0,35 с. Такие жидкости зачастую называют аккумулирующими статическое электричество. К ним относятся чистые нефти и чистые нефтепродукты (дистилляты), сжиженные газы.

Третья группа представляет собой ряд жидкостей и твердых материалов с промежуточной токопроводностью. Яркий пример - темные нефти, сырые нефти, спирты, ацетон и др.

Когда напряженность электрического поля достигаетопределенной величины, может произойти разряд поля, который имеет различные формы. Для воспламенения паровоздушной смеси необходимо, чтобы электростатический разряд был достаточно мощным. Было установлено, что для воспламенения паровоздушной смеси пропана достаточ­но, чтобы между электродами произошел разряд с выделением энергии в 0,2 мДж, а для воспламенения паровоздуш­ной смеси аммиака потребуется разряд в 600 раз мощнее.

Существуют следующие формы электростатических разрядов.

Корона - ионное излучение голубоватого цвета. Его можно увидеть на острых углах или вантах при некоторых погодных условиях. Это сияние известно под названием «Огни Святого Эльма». Такое излучение не несет в себе достаточно энергии для возникновения пламени.

Северное, или полярное, сияние - это слабые лучи, сформированные из очень маленьких искр, испускаемых заряженными острыми углами или выступами конструкций в направлении заряженных облаков или тумана. Такое свечение может возникнуть в танках супертанкеров, оно также не несет в себе достаточной энергии для возникнове­ния пламени.

Искра возникает только в том случае, если напряженность электрического поля достигает некоторой критической величины. Ионный луч увеличивается с повышением напряженности поля, и конечный результат такого увеличения - возникновение настоящей искры. При большой напряженности поля образуется разряд, более известный как мол­ния. Однако если мы поместим в электрическое поле заземленный проводник, то возникнет искровой разряд, доста­точный для воспламенения смеси даже при малых величинах напряженности поля.