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 он не сможет отойти электрическим током или электрическим разрядом . Слово «статический» используется, чтобы отличить его от электрического тока , когда электрический заряд течет через электрический проводник . [1]

Статический электрический заряд может возникнуть всякий раз, когда две поверхности соприкасаются или скользят друг по другу, а затем разделяются. 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 пути заземления) или к области с избыточным зарядом. заряд противоположной полярности (положительный или отрицательный). Известное явление статического шока, а точнее, электростатического разряда  , вызвано нейтрализацией заряда.

Причины

Материалы состоят из атомов, которые обычно электрически нейтральны, поскольку содержат равное количество положительных зарядов ( протонов в 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 от одного материала к другому, в результате чего на одном материале остается избыток положительного заряда, а на другом — равный отрицательный заряд. Когда материалы разделены, они сохраняют этот дисбаланс зарядов. Также возможен перенос ионов .

Контактно-индуцированное разделение зарядов

Орешки из пенополистирола прилипают к кошачьей шерсти из-за статического электричества. Этот эффект также является причиной налипания статического электричества на одежду.

Электроны или ионы могут обмениваться между материалами при контакте или когда они скользят друг против друга, что известно как трибоэлектрический эффект и приводит к тому, что один материал становится положительно заряженным, а другой - отрицательно. Трибоэлектрический эффект является основной причиной статического электричества, наблюдаемого в повседневной жизни, и в обычных научных демонстрациях в средней школе используется трение различных материалов друг о друга (например, меха о акриловый стержень). Контактно-индуцированное разделение зарядов заставляет волосы вставать и вызывает « статическое прилипание » (например, шарик, потертый о волосы, становится отрицательно заряженным; находясь рядом со стеной, заряженный шарик притягивается к положительно заряженным частицам в стене, и может «цепляться» за него, подвешиваясь против силы тяжести).

Разделение зарядов под давлением

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

Тепловое разделение зарядов

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

Разделение зарядов, индуцированное зарядом

Заряженный объект, поднесенный близко к электрически нейтральному проводящему объекту, вызывает разделение заряда внутри нейтрального объекта. Это называется электростатической индукцией . Заряды одной полярности отталкиваются и движутся в сторону объекта от внешнего заряда, а заряды противоположной полярности притягиваются и движутся в сторону, обращенную к заряду. Поскольку сила, возникающая вследствие взаимодействия электрических зарядов, быстро падает с увеличением расстояния, влияние более близких (противоположной полярности) зарядов усиливается, и два объекта ощущают силу притяжения. Тщательное заземление части объекта может навсегда добавить или удалить электроны, оставив объекту глобальный постоянный заряд.

Удаление и профилактика

Сетевая карта в антистатическом пакете .
Антистатический ремешок на запястье с зажимом «крокодил» .

Удалить или предотвратить накопление статического заряда можно так же просто, как открыть окно или использовать увлажнитель воздуха, чтобы увеличить содержание влаги в воздухе и сделать атмосферу более проводящей. Ионизаторы воздуха могут выполнять ту же задачу. [2]

Предметы, особенно чувствительные к статическому разряду, можно обрабатывать с помощью антистатического вещества , которое добавляет проводящий поверхностный слой, обеспечивающий равномерное распределение избыточного заряда. Кондиционеры для белья и листы для сушки белья , используемые в стиральных машинах и сушилках для одежды, являются примером антистатического агента, используемого для предотвращения и удаления прилипания статического электричества . [3]

Многие полупроводниковые приборы , используемые в электронике, особенно чувствительны к статическому разряду. Для защиты таких компонентов обычно используются проводящие антистатические пакеты . Люди, работающие с цепями, содержащими эти устройства, часто заземляются проводящим антистатическим браслетом . [4] [5]

В промышленных условиях, таких как лакокрасочные или мукомольные заводы, а также в больницах, иногда используются антистатические защитные ботинки для предотвращения накопления статического заряда из-за контакта с полом. Эта обувь имеет подошву с хорошей проводимостью. Антистатическую обувь не следует путать с изолирующей обувью, которая обеспечивает прямо противоположную выгоду – некоторую защиту от серьезных поражений электрическим током от сетевого напряжения . [6]

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

Статический разряд

Искра, связанная со статическим электричеством, возникает в результате электростатического разряда или просто статического разряда, поскольку избыточный заряд нейтрализуется потоком зарядов из окружающей среды или в нее.

Ощущение поражения электрическим током вызвано стимуляцией нервов, когда ток проходит 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 человека представляют как конденсатор емкостью 100 пикофарад , заряженный до напряжения от 4000 до 35 000 вольт. При прикосновении к объекту эта энергия разряжается менее чем за микросекунду. [8] Хотя общая энергия невелика, порядка миллиджоулей , она все же может повредить чувствительные электронные устройства. Более крупные объекты будут накапливать больше энергии, что может быть непосредственно опасным для человека или может дать искру, которая может воспламенить горючий газ или пыль.

Молния

Естественный статический разряд
Мелкие волоски встают дыбом после грозы из-за оставшегося слабого статического электричества.

Молния является ярким природным примером статического разряда. Хотя детали неясны и остаются предметом споров, считается, что первоначальное разделение зарядов связано с контактом между частицами льда внутри грозовых облаков. В общем, значительные накопления зарядов могут сохраняться только в областях с низкой электропроводностью (очень мало зарядов могут свободно перемещаться в окружающей среде), поэтому поток нейтрализующих зарядов часто возникает в результате разрыва нейтральных атомов и молекул в воздухе с образованием отдельных положительных зарядов. и отрицательные заряды, которые движутся в противоположных направлениях как электрический ток, нейтрализуя первоначальное накопление заряда. Таким образом, статический заряд в воздухе обычно снижается примерно до 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 гул. Молния — это просто увеличенная версия искр, наблюдаемых в более бытовых случаях статического разряда. Вспышка возникает из-за того, что воздух в разрядном канале нагревается до такой высокой температуры, что излучает свет за счет накаливания . Удар грома является результатом ударной волны, возникающей при расширении перегретого воздуха.

Электронные компоненты

Многие полупроводниковые приборы , используемые в электронике, очень чувствительны к наличию статического электричества и могут быть повреждены статическим разрядом. Использование антистатического ремешка является обязательным для исследователей, манипулирующих наноустройствами. Дополнительные меры предосторожности можно принять, сняв обувь на толстой резиновой подошве и постоянно оставаясь на металлическом грунте.

Накопление статического электричества в текущих легковоспламеняющихся и воспламеняющихся материалах.

Статическое электричество представляет собой серьезную опасность при заправке самолета.

Разряд статического электричества может создать серьезную опасность в тех отраслях промышленности, где используются легковоспламеняющиеся вещества, где небольшая электрическая искра может воспламенить взрывоопасные смеси. [10]

Движение мелкопорошковых веществ или жидкостей с низкой проводимостью в трубах или при механическом перемешивании может создавать 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, покрывающей желоб через определенные промежутки времени, и который может быть примерно пропорционален потоку твердых частиц. [12] Пылевые облака мелкопорошковых веществ могут стать горючими или взрывоопасными. При возникновении статического разряда в облаке пыли или пара происходят взрывы. Среди крупных промышленных происшествий, произошедших из-за статического разряда, можно назвать взрыв зернохранилища на юго-западе Франции, завода по производству красок в Таиланде, завода по производству формованных изделий из стекловолокна в Канаде, взрыв резервуара для хранения в Гленпуле , штат Оклахома, в 2003 году и Операция по наполнению переносных резервуаров и нефтебаза в Де-Мойне , Айова и Вэлли-Сентер, Канзас , 2007 год. [13] [14] [15]

Способность жидкости сохранять электростатический заряд зависит от ее электропроводности. Когда жидкости с низкой проводимостью текут по трубопроводам или подвергаются механическому перемешиванию, происходит контактно-индуцированное разделение зарядов, называемое электризацией потока . [16] [17] Жидкости, имеющие низкую электропроводность (менее 50 пикосименс на метр), называются аккумуляторами. Жидкости, имеющие проводимость выше 50 пСм/м, называются неаккумуляторами. В неаккумуляторах заряды рекомбинируются так же быстро, как и разделяются, и, следовательно, накопление электростатического заряда незначительно. В нефтехимической промышленности рекомендуемое минимальное значение электропроводности для адекватного удаления заряда из жидкости составляет 50 пСм/м.

Керосины могут иметь проводимость в диапазоне 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 другого электрооборудования. Повторное заполнение больших аппаратов требует принятия мер предосторожности против электростатического заряда жидкости, который может повредить чувствительную изоляцию трансформатора.

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

Генерация заряда увеличивается при более высоких скоростях жидкости и трубах большего диаметра, что становится весьма значительным в трубах диаметром 8 дюймов (200 мм) или больше. Генерацию статического заряда в этих системах лучше всего контролировать путем ограничения скорости жидкости. Британский стандарт BS PD CLC/TR 50404:2003 (ранее BS-5958-Часть 2) Кодекс практики по контролю нежелательного статического электричества предписывает пределы скорости потока в трубопроводе. Поскольку содержание воды оказывает большое влияние на диэлектрическую проницаемость жидкости, рекомендуемая скорость для углеводородных жидкостей, содержащих воду, должна быть ограничена до 1 метра в секунду.

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

Заправочные операции

Текущее движение легковоспламеняющихся жидкостей, таких как бензин, внутри трубы может создавать статическое электричество. Неполярные жидкости, такие как бензин , толуол , ксилол , дизельное топливо , керосин и легкая сырая нефть, проявляют значительную способность к накоплению и удержанию заряда при высокоскоростном потоке. Электростатические разряды могут воспламенить пары топлива. [19] Когда энергия электростатического разряда достаточно высока, он может воспламенить смесь паров топлива и воздуха. Разные виды топлива имеют разные пределы воспламеняемости и требуют разного уровня энергии электростатического разряда для воспламенения.

Электростатический разряд при заправке бензином представляет собой настоящую 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.

Текущее движение газов в трубах само по себе практически не создает статического электричества. [21] Предполагается, что механизм генерации заряда возникает только тогда, когда твердые частицы или капли жидкости переносятся в газовом потоке.

В освоении космоса

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

Озоновое растрескивание

Озоновое растрескивание трубок из натурального каучука

Статический разряд в присутствии воздуха или кислорода может создать озон . Озон может испортить резиновые детали. Многие эластомеры чувствительны к озоновому растрескиванию . Воздействие озона приводит к образованию глубоких проникающих трещин в таких важных компонентах, как прокладки и уплотнительные кольца . Топливопроводы также подвержены этой проблеме, если не принять профилактические меры. Профилактические меры включают добавление в резиновую смесь антиозонантов или использование озоностойкого эластомера. Пожары из-за трещин в топливопроводах представляют собой проблему для транспортных средств, особенно в моторных отсеках, где электрооборудование может выделять озон.

Задействованная энергия

Энергия, выделяемая при разряде статического электричества, может изменяться в широком диапазоне. Энергию в джоулях можно рассчитать из емкости ( С ) объекта и статического потенциала V в вольтах (В) по формуле E  = ½ CV 2 . [23] Один экспериментатор оценивает емкость человеческого тела в 400  пикофарад , а заряд в 50 000 вольт, разряжаемый, например, при прикосновении 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] В стандарте IEC 479-2:1987 указано, 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 разряжать на человека 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 человеком. Максимальный потенциал, обычно достигаемый на теле человека, находится в диапазоне от 1 до 10 кВ, хотя в оптимальных условиях может быть достигнуто и 20–25 кВ. Низкая относительная влажность увеличивает накопление заряда; ходьба на 20 футов (6 м) по виниловому полу при относительной влажности 15% приводит к повышению напряжения до 12 кВ, тогда как при влажности 80% напряжение составляет всего 1,5 кВ. [26]

Всего 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 необходима относительно небольшая энергия, часто всего 0,2–2 миллиджоуля. Для обычных промышленных углеводородных газов и растворителей минимальная энергия воспламенения , необходимая для воспламенения паровоздушной смеси, наименьшая при концентрации паров, находящейся примерно посередине между нижним пределом взрываемости и верхним пределом взрываемости , и быстро увеличивается при отклонении концентрации от этот оптимум в обе стороны. Аэрозоли легковоспламеняющихся жидкостей могут воспламеняться при температуре значительно ниже их температуры вспышки . Обычно жидкие аэрозоли с размером частиц менее 10 микрометров ведут себя как пары, а частицы с размером более 40 микрометров больше похожи на легковоспламеняющуюся пыль. Типичные минимальные легковоспламеняющиеся концентрации аэрозолей составляют от 15 до 50 г/м 3 . Аналогичным образом, наличие пены на поверхности горючей жидкости значительно увеличивает воспламеняемость. Аэрозоль горючей пыли также может воспламениться, что приведет к взрыву пыли ; нижний предел взрываемости обычно находится 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 существенно 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

Рекомендации

  1. ^ Догал (1986). Основы электротехники, Том 1. Тата МакГроу-Хилл. п. 41. ИСБН 978-0-07-451586-0.
  2. ^ «Ионизаторы и устранители статического электричества». ГлобалСпец. 2009. Архивировано из оригинала 10 февраля 2009 г. Проверено 13 апреля 2009 г.
  3. ^ «Мягчитель ткани и статика». Спросите учёного, Общий научный архив . Министерство энергетики США. 2003 . Проверено 13 апреля 2009 г.
  4. ^ Антистатические пакеты для запчастей. Джон Уайли и сыновья. 2004. ISBN 978-0-7821-4360-7. Проверено 13 апреля 2009 г. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  5. ^ Антистатический ремешок на запястье. Джон Уайли и сыновья. 2004. ISBN 978-0-7821-4360-7. Проверено 13 апреля 2009 г. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  6. ^ "Safetoes: защитная обувь" . Сафеты . Троянский инструментарий. 2004 . Проверено 13 апреля 2009 г.
  7. ^ «Трибоэлектрический шум в медицинских кабелях и проводах». 29 августа 2014 г.
  8. ^ Карлос Эрнандо Диас, Сунг-Мо Канг, Чарвака Дуввури, Моделирование электрического перенапряжения в интегральных схемах Springer, 1995 ISBN 0-7923-9505-0 , стр. 5 
  9. ^ Джей Джей Лоук (1992). «Теория электрического пробоя в воздухе». Журнал физики D: Прикладная физика . 25 (2): 202–210. Бибкод : 1992JPhD...25..202L. дои : 10.1088/0022-3727/25/2/012. S2CID  250794264.
  10. ^ Кассебаум, Дж. Х. и Кокен, РА (1995). «Контроль статического электричества в опасных (классифицированных) местах». 42-я ежегодная конференция Общества отраслевых приложений по нефтегазовой и химической промышленности . стр. 105–113. дои : 10.1109/PCICON.1995.523945. ISBN 0-7803-2909-0. S2CID  110221915.
  11. ^ Вагнер, Джон П.; Клавихо, Фернандо Ранхель Генерация электростатического заряда во время смешивания отработанного трансформаторного масла в рабочем колесе. Департамент ядерной техники, техники безопасности и программы промышленной гигиены, Техасский университет A&M , Колледж-Стейшн, онлайн, 21 августа 2000 г.; по состоянию на январь 2009 г. doi : 10.1016/S0304-3886(00)00019-X
  12. ^ Дауни, Нил А., Взрывающиеся дисковые пушки, слиземобили 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 фармацевтической промышленности?». Фармацевтическая наука и технологии сегодня . 1 (7): 286–287. дои : 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 легковоспламеняющуюся жидкость во время операции по наполнению портативного резервуара. Архивировано 17 января 2009 г. в Совете по химической безопасности Wayback Machine , 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. дои : 10.1016/S0304-3886(01)00081-X.
  18. ^ Технический обзор авиационного топлива Chevron Corporation. Архивировано 19 марта 2009 г. на Wayback Machine , 2006 г., по состоянию на декабрь 2008 г.
  19. ^ Хирн, Грэм Статическое электричество - руководство для инженеров предприятий - Университет электростатики Вольфсона, Саутгемптон, 2002; по состоянию на декабрь 2008 г.
  20. ^ «CarCare – Автоклиника» «Популярная механика» , апрель 2003 г., стр. 163.
  21. ^ Кинзинг, Дж. Е., «Электростатические эффекты в пневматическом транспорте: оценка, величины и будущее направление», Journal Pipelines, 4, 95–102, 1984.
  22. ^ «НАСА - Потрескивающие планеты» . Проверено 23 февраля 2021 г.
  23. ^ Номограммы для оценки риска емкостных электростатических разрядов. Ece.rochester.edu. Проверено 8 февраля 2010 г.
  24. ^ «Безопасность при высоком напряжении: электростатический генератор ВандеГраафа» . amasci.com . Проверено 27 января 2010 г.
  25. ^ Индекс. Wolfsonelectrostatics.com. Проверено 17 марта 2011 г.
  26. ^ М.А. Келли, Дж. Э. Серве, Т. В. Пфаффенбах. Исследование электростатического разряда на теле человека, ISTFA '93: 19-й Международный симпозиум по испытаниям и анализу отказов, Лос-Анджелес, Калифорния, США/15–19 ноября 1993 г.
  27. ^ «Условия ОУР» . eed.gsfc.nasa.gov. Архивировано из оригинала 17 сентября 2004 г. Проверено 27 января 2010 г.
  28. ^ Руководство по статическому электричеству для инженеров предприятий. Грэм Хирн – Электростатика Вольфсона, Саутгемптонский университет.

Внешние ссылки