stringtranslate.com

Статическое электричество

Пример воздействия статического электричества на волосы ребенка.

Статическое электричество — это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Заряд сохраняется до тех пор, пока его не унесет электрический ток или электрический разряд . Слово «статический» используется для того, чтобы отличить его от текущего электричества , когда электрический заряд течет через электрический проводник . [1]

Статический электрический заряд может быть создан всякий раз, когда две поверхности соприкасаются или скользят друг по другу, а затем разъединяются. Эффекты статического электричества знакомы большинству людей, поскольку они могут чувствовать, слышать и даже видеть искры, если избыточный заряд нейтрализуется при приближении к электрическому проводнику (например, к заземлению) или к области с избыточным зарядом противоположной полярности (положительной или отрицательной). Знакомое явление статического удара — точнее, электростатический разряд  — вызывается нейтрализацией заряда.

Причины

Материалы состоят из атомов, которые обычно электрически нейтральны, поскольку они содержат одинаковое количество положительных зарядов ( протонов в своих ядрах ) и отрицательных зарядов ( электронов в « оболочках », окружающих ядро). Явление статического электричества требует разделения положительных и отрицательных зарядов. Когда два материала находятся в контакте, электроны могут перемещаться из одного материала в другой, что оставляет избыток положительного заряда на одном материале и равный отрицательный заряд на другом. Когда материалы разделены, они сохраняют этот дисбаланс зарядов. Также возможен перенос ионов .

Контактно-индуцированное разделение зарядов

Арахис из пенопласта, прилипший к шерсти кошки из-за статического электричества. Этот эффект также является причиной статического прилипания одежды.

Электроны или ионы могут обмениваться между материалами при контакте или при скольжении друг по другу, что известно как трибоэлектрический эффект и приводит к тому, что один материал становится положительно заряженным, а другой отрицательно заряженным. Трибоэлектрический эффект является основной причиной статического электричества, которое наблюдается в повседневной жизни и в обычных школьных научных демонстрациях, включающих трение разных материалов друг о друга (например, меха об акриловый стержень). Контактное разделение зарядов заставляет волосы вставать дыбом и вызывает « статическое прилипание » (например, воздушный шар, потертый о волосы, становится отрицательно заряженным; находясь около стены, заряженный воздушный шар притягивается к положительно заряженным частицам в стене и может «прилипнуть» к ней, подвешенный против силы тяжести).

Разделение зарядов под давлением

Приложенное механическое напряжение приводит к разделению зарядов во многих типах кристаллов и молекул керамики .

Разделение зарядов под действием тепла

Нагревание вызывает разделение заряда в атомах или молекулах определенных материалов. Все пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектриками. Атомные или молекулярные свойства тепла и реакции давления тесно связаны.

Разделение зарядов, вызванное зарядом

Заряженный объект, поднесенный близко к электрически нейтральному проводящему объекту, вызывает разделение заряда внутри нейтрального объекта. Это называется электростатической индукцией . Заряды одинаковой полярности отталкиваются и движутся в сторону объекта от внешнего заряда, а заряды противоположной полярности притягиваются и движутся в сторону, обращенную к заряду. Поскольку сила, вызванная взаимодействием электрических зарядов, быстро падает с увеличением расстояния, эффект более близких (противоположной полярности) зарядов больше, и два объекта испытывают силу притяжения. Тщательное заземление части объекта может навсегда добавить или удалить электроны, оставляя объект с глобальным постоянным зарядом.

Удаление и профилактика

Сетевая карта в антистатическом пакете .
Антистатический браслет с зажимом типа «крокодил» .

Устранение или предотвращение накопления статического заряда может быть таким же простым, как открытие окна или использование увлажнителя , чтобы увеличить содержание влаги в воздухе, делая атмосферу более проводящей. Ионизаторы воздуха могут выполнять ту же задачу. [2]

Предметы, которые особенно чувствительны к статическому разряду, можно обработать антистатическим средством , которое добавляет проводящий поверхностный слой, который обеспечивает равномерное распределение любого избыточного заряда. Кондиционеры для белья и салфетки для сушки, используемые в стиральных машинах и сушилках для одежды, являются примером антистатического средства, используемого для предотвращения и удаления статического прилипания . [3]

Многие полупроводниковые приборы, используемые в электронике, особенно чувствительны к статическому разряду. Проводящие антистатические пакеты обычно используются для защиты таких компонентов. Люди, работающие с цепями, содержащими эти приборы, часто заземляются с помощью проводящего антистатического браслета . [4] [5]

В промышленных условиях, таких как лакокрасочные или мукомольные заводы, а также в больницах, антистатические защитные ботинки иногда используются для предотвращения накопления статического заряда из-за контакта с полом. Эти ботинки имеют подошвы с хорошей проводимостью. Антистатическую обувь не следует путать с изолирующей обувью, которая обеспечивает совершенно противоположное преимущество — некоторую защиту от серьезных ударов током от напряжения сети . [6]

В медицинских кабельных сборках и свинцовых проводах случайный трибоэлектрический шум возникает, когда различные проводники, изоляция и наполнители трутся друг о друга, когда кабель изгибается во время движения. Шум, создаваемый внутри кабеля, часто называют шумом обработки или шумом кабеля, но этот тип нежелательного сигнала точнее описать как трибоэлектрический шум. При измерении сигналов низкого уровня шум в кабеле или проводе может представлять проблему. Например, шум в ЭКГ или другом медицинском сигнале может затруднить или даже сделать невозможной точную диагностику. Поддержание трибоэлектрического шума на приемлемом уровне требует тщательного выбора материала, проектирования и обработки при изготовлении материала кабеля. [7]

Статический разряд

Искра, связанная со статическим электричеством, возникает из-за электростатического разряда или просто статического разряда, когда избыточный заряд нейтрализуется потоком зарядов из окружающей среды или в окружающую среду.

Ощущение электрического удара вызывается стимуляцией нервов при прохождении тока через тело человека. Энергия, запасенная в виде статического электричества на объекте, варьируется в зависимости от размера объекта и его емкости , напряжения, до которого он заряжен, и диэлектрической проницаемости окружающей среды. Для моделирования воздействия статического разряда на чувствительные электронные устройства человек представлен как конденсатор емкостью 100 пикофарад , заряженный до напряжения от 4000 до 35000 вольт. При прикосновении к объекту эта энергия разряжается менее чем за микросекунду. [8] Хотя общая энергия мала, порядка миллиджоулей , она все равно может повредить чувствительные электронные устройства. Более крупные объекты будут запасать больше энергии, которая может быть непосредственно опасна для контакта с человеком или которая может дать искру, способную воспламенить горючий газ или пыль.

Молния

Естественный статический разряд
Маленькие волоски, встающие дыбом после грозы, как результат оставшегося слабого статического электричества.

Молния — яркий естественный пример статического разряда. Хотя детали неясны и остаются предметом споров, первоначальное разделение зарядов, как полагают, связано с контактом между ледяными частицами внутри грозовых облаков. В целом, значительные накопления зарядов могут сохраняться только в областях с низкой электропроводностью (очень мало зарядов, свободно перемещающихся в окружающей среде), поэтому поток нейтрализующих зарядов часто возникает из-за того, что нейтральные атомы и молекулы в воздухе разрываются на части, образуя отдельные положительные и отрицательные заряды, которые движутся в противоположных направлениях в виде электрического тока, нейтрализуя первоначальное накопление заряда. Статический заряд в воздухе обычно разрушается таким образом при напряжении около 10 000 вольт на сантиметр (10 кВ/см) в зависимости от влажности. [9] Разряд перегревает окружающий воздух, вызывая яркую вспышку, и производит ударную волну, вызывающую гулкий звук. Молния — это просто увеличенная версия искр, которые можно увидеть в более домашних случаях статического разряда. Вспышка происходит из-за того, что воздух в канале разряда нагревается до такой высокой температуры, что он излучает свет путем накаливания . Раскат грома является результатом ударной волны, возникающей при расширении перегретого воздуха.

Электронные компоненты

Многие полупроводниковые приборы, используемые в электронике, очень чувствительны к присутствию статического электричества и могут быть повреждены статическим разрядом. Использование антистатического ремня является обязательным для исследователей, работающих с наноустройствами. Дополнительные меры предосторожности могут быть приняты путем снятия обуви с толстой резиновой подошвой и постоянного нахождения на металлическом заземлении.

Накопление статического электричества в текучих горючих и воспламеняющихся материалах

Статическое электричество представляет собой серьезную опасность при заправке самолета.

Разряд статического электричества может создать серьезные опасности в отраслях, связанных с легковоспламеняющимися веществами, где небольшая электрическая искра может воспламенить взрывоопасные смеси. [10]

Текучее движение мелкодисперсных порошкообразных веществ или жидкостей с низкой проводимостью в трубах или посредством механического перемешивания может накапливать статическое электричество. [11] Поток гранул материала, такого как песок, по пластиковому желобу может переносить заряд, который можно измерить с помощью мультиметра, подключенного к металлической фольге, выстилающей желоб с интервалами, и может быть примерно пропорционален потоку частиц. [12] Пылевые облака мелкодисперсных веществ могут стать горючими или взрывоопасными. Когда в облаке пыли или пара происходит статический разряд, происходят взрывы. Среди крупных промышленных инцидентов, произошедших из-за статического разряда, — взрыв зернохранилища на юго-западе Франции, лакокрасочного завода в Таиланде, завода по производству стекловолоконных молдингов в Канаде, взрыв резервуара для хранения в Гленпуле , Оклахома, в 2003 году, а также операция по заполнению переносных резервуаров и резервуарный парк в Де-Мойне , Айова и Вэлли-Сентре, Канзас, в 2007 году. [13] [14] [15]

Способность жидкости удерживать электростатический заряд зависит от ее электропроводности. Когда жидкости с низкой электропроводностью протекают по трубопроводам или механически перемешиваются, происходит контактное разделение зарядов, называемое электризацией потока . [16] [17] Жидкости с низкой электропроводностью (ниже 50 пикосименс на метр) называются накопителями. Жидкости с проводимостью выше 50 пСм/м называются ненакопителями. В ненакопителях заряды воссоединяются так же быстро, как и разделяются, и, следовательно, накопление электростатического заряда не имеет существенного значения. В нефтехимической промышленности 50 пСм/м является рекомендуемым минимальным значением электропроводности для адекватного удаления заряда из жидкости.

Керосины могут иметь проводимость от менее 1 пикосименса на метр до 20 пСм/м. Для сравнения, деионизированная вода имеет проводимость около 10 000 000 пСм/м или 10 мкСм/м. [18]

Трансформаторное масло является частью системы электроизоляции больших силовых трансформаторов и других электрических приборов. Повторное заполнение больших приборов требует мер предосторожности против электростатического заряда жидкости, который может повредить чувствительную изоляцию трансформатора.

Важной концепцией для изолирующих жидкостей является статическое время релаксации. Оно похоже на постоянную времени τ (тау) RC -цепи . Для изолирующих материалов это отношение статической диэлектрической проницаемости, деленной на электропроводность материала. Для углеводородных жидкостей это иногда аппроксимируется путем деления числа 18 на электропроводность жидкости. Таким образом, жидкость с электропроводностью 1 пСм/м имеет расчетное время релаксации около 18 секунд. Избыточный заряд в жидкости рассеивается почти полностью после четырех-пятикратного времени релаксации, или 90 секунд для жидкости в приведенном выше примере.

Генерация заряда увеличивается при более высоких скоростях жидкости и больших диаметрах труб, становясь весьма значительной в трубах диаметром 8 дюймов (200 мм) и более. Генерация статического заряда в этих системах лучше всего контролируется ограничением скорости жидкости. Британский стандарт BS PD CLC/TR 50404:2003 (ранее BS-5958-часть 2) Кодекс практики по контролю нежелательного статического электричества предписывает ограничения скорости потока в трубах. Поскольку содержание воды оказывает большое влияние на диэлектрическую проницаемость жидкостей, рекомендуемая скорость для углеводородных жидкостей, содержащих воду, должна быть ограничена 1 м в секунду.

Связывание и заземление — обычные способы предотвращения накопления заряда. Для жидкостей с электропроводностью ниже 10 пСм/м связывание и заземление недостаточны для рассеивания заряда, и могут потребоваться антистатические добавки. [ необходима цитата ]

Топливные операции

Текущее движение легковоспламеняющихся жидкостей, таких как бензин, внутри трубы может накапливать статическое электричество. Неполярные жидкости, такие как бензин , толуол , ксилол , дизельное топливо , керосин и легкая сырая нефть, демонстрируют значительную способность к накоплению и удержанию заряда во время высокоскоростного потока. Электростатические разряды могут воспламенить пары топлива. [19] Когда энергия электростатического разряда достаточно высока, она может воспламенить смесь паров топлива и воздуха. Различные виды топлива имеют разные пределы воспламеняемости и требуют разных уровней энергии электростатического разряда для воспламенения.

Электростатический разряд при заправке бензином представляет собой реальную опасность на заправочных станциях . [20] Пожары также возникали в аэропортах при заправке самолетов керосином. Новые технологии заземления, использование проводящих материалов и добавление антистатических добавок помогают предотвратить или безопасно рассеять накопление статического электричества. Клиентам, которым необходимо заправить емкости на заправочных станциях, рекомендуется сначала поставить их на землю, чтобы любое накопление статического электричества рассеялось без риска возгорания или взрыва.

Движение газов в трубах само по себе создает мало статического электричества, если вообще создает. [21] Предполагается, что механизм генерации заряда возникает только тогда, когда твердые частицы или капли жидкости переносятся в потоке газа.

В исследовании космоса

Из-за чрезвычайно низкой влажности в инопланетных условиях могут накапливаться очень большие статические заряды, что создает серьезную опасность для сложной электроники, используемой в космических исследовательских аппаратах. Считается, что статическое электричество представляет особую опасность для астронавтов в запланированных миссиях на Луну и Марс . Прогулка по чрезвычайно сухой местности может привести к накоплению ими значительного количества заряда; попытка открыть шлюз по возвращении может вызвать большой статический разряд, потенциально повреждающий чувствительную электронику. [22]

Расщепление озона

Озоновое растрескивание в трубках из натурального каучука

Статический разряд в присутствии воздуха или кислорода может создавать озон . Озон может разрушать резиновые детали. Многие эластомеры чувствительны к растрескиванию под воздействием озона . Воздействие озона приводит к образованию глубоких проникающих трещин в критических компонентах, таких как прокладки и уплотнительные кольца . Топливопроводы также подвержены этой проблеме, если не принять превентивных мер. Превентивные меры включают добавление антиозонантов в резиновую смесь или использование озоностойкого эластомера. Пожары из-за треснувших топливопроводов стали проблемой для транспортных средств, особенно в моторных отсеках, где озон может вырабатываться электрооборудованием.

Энергии, задействованные

Энергия, выделяемая при разряде статического электричества, может варьироваться в широком диапазоне. Энергию в джоулях можно рассчитать из емкости ( C ) объекта и статического потенциала V в вольтах (V) по формуле E  = ½ CV 2 . [23] Один экспериментатор оценивает емкость человеческого тела до 400  пикофарад , а заряд в 50 000 вольт, разряженный, например, во время прикосновения к заряженному автомобилю, создает искру с энергией 500 миллиджоулей. [24] Другая оценка составляет 100–300 пФ и 20 000 вольт, что дает максимальную энергию 60 мДж. [25] IEC 479-2:1987 гласит, что разряд с энергией более 5000 мДж представляет собой прямой серьезный риск для здоровья человека. В стандарте IEC 60065 указано, что потребительские товары не могут направлять на человека разряд мощностью более 350 мДж.

Максимальный потенциал ограничен примерно 35–40 кВ из-за коронного разряда, рассеивающего заряд при более высоких потенциалах. Потенциалы ниже 3000 вольт обычно не обнаруживаются людьми. Максимальный потенциал, обычно достигаемый на теле человека, находится в диапазоне от 1 до 10 кВ, хотя в оптимальных условиях может быть достигнуто до 20–25 кВ. Низкая относительная влажность увеличивает накопление заряда; ходьба на расстояние 20 футов (6 м) по виниловому полу при относительной влажности 15% вызывает накопление напряжения до 12 кВ, тогда как при влажности 80% напряжение составляет всего 1,5 кВ. [26]

Даже 0,2 миллиджоуля могут представлять опасность воспламенения; такая низкая энергия искры часто находится ниже порога зрительного и слухового восприятия человека.

Типичные энергии воспламенения:

Энергия, необходимая для повреждения большинства электронных устройств [ уточнить ], составляет от 2 до 1000 наноджоулей. [27]

Для воспламенения горючей смеси топлива и воздуха требуется относительно небольшая энергия, часто всего лишь 0,2–2 миллиджоуля. Для обычных промышленных углеводородных газов и растворителей минимальная энергия воспламенения, необходимая для воспламенения паровоздушной смеси, является самой низкой для концентрации паров примерно посередине между нижним пределом взрываемости и верхним пределом взрываемости и быстро увеличивается по мере отклонения концентрации от этого оптимума в любую сторону. Аэрозоли горючих жидкостей могут воспламеняться значительно ниже их температуры вспышки . Как правило, жидкие аэрозоли с размером частиц менее 10 микрометров ведут себя как пары, размеры частиц более 40 микрометров ведут себя скорее как горючая пыль. Типичные минимальные воспламеняющиеся концентрации аэрозолей лежат между 15 и 50 г/м 3 . Аналогично, наличие пены на поверхности горючей жидкости значительно увеличивает воспламеняемость. Аэрозоль горючей пыли также может воспламеняться, что приводит к взрыву пыли ; нижний предел взрываемости обычно лежит между 50 и 1000 г/м 3 ; более мелкая пыль, как правило, более взрывоопасна и требует меньше энергии искры для воспламенения. Одновременное присутствие горючих паров и горючей пыли может значительно снизить энергию воспламенения; всего лишь 1 об.% пропана в воздухе может снизить необходимую энергию воспламенения пыли в 100 раз. Более высокое, чем обычно, содержание кислорода в атмосфере также значительно снижает энергию воспламенения. [28]

Существует пять типов электрических разрядов :

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Dhogal (1986). Основы электротехники, том 1. Tata McGraw-Hill. стр. 41. ISBN 978-0-07-451586-0.
  2. ^ "Ионизаторы и нейтрализаторы статического электричества". GlobalSpec. 2009. Архивировано из оригинала 2009-02-10 . Получено 2009-04-13 .
  3. ^ "Смягчитель ткани и статика". Спросите ученого, Архив общей науки . Министерство энергетики США. 2003. Получено 13 апреля 2009 г.
  4. ^ Антистатические пакеты для деталей. John Wiley and Sons. 2004. ISBN 978-0-7821-4360-7. Получено 13 апреля 2009 г. . {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  5. ^ Антистатический браслет. John Wiley and Sons. 2004. ISBN 978-0-7821-4360-7. Получено 13 апреля 2009 г. . {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  6. ^ "Safetoes: Защитная обувь". Safetoes . Trojan Tooling. 2004. Архивировано из оригинала 2022-11-27 . Получено 2009-04-13 .
  7. ^ «Трибоэлектрический шум в медицинских кабелях и проводах». 29 августа 2014 г.
  8. ^ Карлос Эрнандо Диас, Сунг-Мо Канг, Чарвака Дуввури, Моделирование электрических перенапряжений в интегральных схемах Springer, 1995 ISBN 0-7923-9505-0 страница 5 
  9. ^ JJ Lowke (1992). "Теория электрического пробоя в воздухе". Journal of Physics D: Applied Physics . 25 (2): 202–210. Bibcode :1992JPhD...25..202L. doi :10.1088/0022-3727/25/2/012. S2CID  250794264.
  10. ^ Кассебаум, Дж. Х. и Кокен, Р. А. (1995). «Управление статическим электричеством в опасных (классифицированных) местах». Industry Applications Society 42nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conference . стр. 105–113. doi :10.1109/PCICON.1995.523945. ISBN 0-7803-2909-0. S2CID  110221915.
  11. ^ Вагнер, Джон П.; Клавихо, Фернандо Ранхель Образование электростатического заряда во время перемешивания рабочего колеса отработанного трансформаторного масла Кафедра ядерной инженерии, программы по технике безопасности и промышленной гигиене, Техасский университет A&M , Колледж-Стейшн, онлайн 21 августа 2000 г.; доступ январь 2009 г. doi :10.1016/S0304-3886(00)00019-X
  12. ^ Дауни, Нил А., Взрывающиеся дисковые пушки, слизнемобили и 32 других проекта для субботней науки (Издательство Университета Джонса Хопкинса (2006), ISBN 978-0-8018-8506-8 , глава 33, страницы 259-266 «Электрический песок» 
  13. ^ Хирн, Грэм (1998). «Статическое электричество: проблема в фармацевтической промышленности?». Фармацевтическая наука и технологии сегодня . 1 (7): 286–287. doi :10.1016/S1461-5347(98)00078-9.
  14. ↑ Взрыв и пожар резервуара для хранения в Гленпуле, Оклахома, 7 апреля 2003 г. Национальный совет по безопасности на транспорте
  15. ^ Статическая искра воспламеняет горючую жидкость во время операции по заполнению переносного резервуара. Архивировано 17 января 2009 г. на сайте Wayback Machine Chemical Safety Board , 29 октября 2007 г.
  16. ^ Егоров, В.Н. (1970). «Электрификация нефтяного топлива» (PDF) . Химия и Технология Топлив и Масель . 4 : 20–25.
  17. ^ Тушар, Жерар (2001). «Электрификация потока жидкостей». Журнал электростатики . 51–52: 440–447. doi :10.1016/S0304-3886(01)00081-X.
  18. ^ Chevron Corporation Aviation Fuels Technical Review Архивировано 19 марта 2009 г. на Wayback Machine 2006 г., дата обращения декабрь 2008 г.
  19. ^ Хирн, Грэм Статическое электричество – руководство для инженеров-электриков – Университет Вольфсона Электростатики в Саутгемптоне 2002; доступ получен в декабре 2008 г.
  20. ^ «CarCare – Auto Clinic» Popular Mechanics , апрель 2003 г., стр. 163.
  21. ^ Кинзинг, GE, «Электростатические эффекты в пневматическом транспорте: оценка, масштабы и будущее направление», Журнал Pipelines, 4, 95–102, 1984
  22. ^ "NASA – Crackling Planets" . Получено 2021-02-23 .
  23. ^ Номограммы для оценки риска емкостного электростатического разряда. Архивировано 01.03.2021 на Wayback Machine . Ece.rochester.edu. Получено 08.02.2010.
  24. ^ "Безопасность высокого напряжения: электростатический генератор VandeGraaff". amasci.com . Получено 2010-01-27 .
  25. ^ Индекс Архивировано 27.02.2021 на Wayback Machine . Wolfsonelectrostatics.com. Получено 17.03.2011.
  26. ^ М. А. Келли, Г. Э. Сервэ, Т. В. Пфаффенбах Исследование электростатического разряда человеческого тела, ISTFA '93: 19-й Международный симпозиум по испытаниям и анализу отказов, Лос-Анджелес, Калифорния, США/15–19 ноября 1993 г.
  27. ^ "Условия ESD". eed.gsfc.nasa.gov. Архивировано из оригинала 2004-09-17 . Получено 2010-01-27 .
  28. ^ Руководство по статическому электричеству для инженеров-заводчиков. Грэм Хирн – Wolfson Electrostatics, Университет Саутгемптона.

Внешние ссылки