Статички електрицитет

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Контактот со тобоганот направил косата на ова дете позитивно да се наелектризира, така што секое индивидуално влакнато се одделува од другите. Косата исто така се привлекува кон површината на негативно наелектризираниот тобоган.

Статички електрицитет е нерамнотежа на електрични набој  на површината на материјалот. Набојот останува се додека се одстрани со помош на електрична струја или електрично празнење. Статички електрицитет е именуван во контраст со тековната електрична енергија, која тече низ жиците или други проводници и пренесува енергија.[1]

Статички електричен полнеж може да се создаде кога две површини ќе стапат во контакт и ќе се одделат, и најмалку една од површините има висока отпорност на електрична струја (или е електричен изолатор). Ефектите на статички електрицитет се познати за сите, бидејќи луѓето може да ги чувствуваат, да ги слушнат, и дури да видат искра кога вишокот на полнење се неутрализира кога се донесе блиску до голем електричен спроводник или тело со вишок на полнеж од спротивниот поларитет (позитивен или негативен). Познат е феноменот на статичен шок поточно, електростатско празнење кое е предизвикано од неутрализација на полнежот.

Создавање на статички електрицитет[уреди | уреди извор]

Материјалите се направени од атоми, кои се електрично неутрални, бидејќи тие содржат еднаков број на позитивни (протони во нивните јадра) и негативни полнежи (електрони околу јадрото). Феноменот на статички електрицитет бара поделба на позитивни и негативни полнежи. Кога две материјали ќе стапат во контакт, електроните може да се движат од еден материјал на друг, што остава вишок на позитивен полнеж на еден материјал, и еднаков негативен полнеж на другиот. Кога материјалите се одделени тие ја задржуваат оваа нерамнотежа на полнеж.

Поделба при контакт-индуциран полнеж

Електроните може да се разменуваат помеѓу материјали при контакт; материјали со слабо врзани електрони имаат тенденција да оддадат, додека материјали со ретко исполнет надворешен слој имаат тенденција да ги примаат. Ова е познато како трибоелектричен ефект и резултира еден материјал да стане позитивно наелектризиран а другиот негативно наелектризиран. Поларитетот и силата на полнење на материјалот откако тие ќе се разделат зависи од релативната позиција во трибоелектричната серија. Трибоелектричниот ефект е главната причина за статички електрицитет како што е забележано во секојдневниот живот вклучувајќи триење на различни материјали (на пример, крзно со акрилик прачка). Делбата на контакт-индуцираниот полнеж предизвикува косата да се крене, пример, балон протриен низ косата станува негативно наелектризиран, во близина на некој ѕид, наелектризираниот балон се привлекува кон позитивно наелектризираните честички во ѕидот, затоа тој може да се "залепи" за него.

Поделба при притисок-индуциран полнеж

Применува механички стрес генерира поделба на полнежот во одредени видови на кристални и керамички молекули.

Поделба при топлински-индуциран полнеж

Греењето генерира поделба на полнежите во атомите или молекулите на одредени материјали. Сите пироелектрични материјали се исто така пизоелектрични. Атомските или молекуларните својства на топлина и притисок, се тесно поврзани.

Поделба при полнеж-индуциран полнеж

Наелектризирано тело принесено блиску до електрично неутрален објект предизвикува одвојување на полнежите во рамките на неутралениот објект. Истоимени полнежи се спротивставуваат а разноимените полнежи се привлекуваат. Како што силата создадена при интеракција на електрични полнежи опаѓа со зголемување на растојанието, ефектот на поблиските (разноимени) полнежи е поголема и двете тела се привлекуваат. Ефектот е најголем кога неутралниот објект е спроводник бидејќи полнежите се слободни. Заземјувањето на дел од телото со полнеж-индуцирана поделба на полнеж може трајно да ги додава или отстранува електроните, оставајќи го телото со глобален, траен полнеж. Овој процес е составен дел на работата на генераторот на Ван де Граф, уред кој се користи за да се покажат ефектите на статички електрицитет.

Отстранување и превенција на статичкиот електрицитет[уреди | уреди извор]

Отстранување или спречување на натрупувањето на статичкиот набој се одвива при отворање на прозорец или со користење на овлажнител да се зголеми содржината на влага од воздухот, со што атмосферата станува по спроводлива.

Многу полуспроводнички уреди кои се користат во електрониката се особено чувствителни на статичко празнење. Проводнички антистатички кеси најчесто се користат за да се заштитат такви компоненти. Луѓето кои работат со електрични кола кои ги содржат овие уреди често се изолираат себе со проводнички антистатички каиш.[2][3]

Во индустриските услови како во болници, антистатичките безбедносни ракавици понекогаш се користат за да се спречи натрупувањето на статички набој поради контакт со подот. Овие чевли имаат ѓон со добра спроводливост. Анти-статички чевли не треба да се збунат со изолациони чевли, кои го предизвикуваат спротивното – одредена заштита од сериозни електрични шокови од мрежниот електричен напон.[4]

Мрежна картичка во антистатичка торба.
Антистатичка алка со крокодилски клип.

Статичко празнење[уреди | уреди извор]

Искрата од статичкиот електрицитет е предизвикана при електростатско празнење, или, со статичко празнење, кога вишокот на полнеж се неутрализира со протекување на полнежите од или до околината.

Чувството на електричен шок е предизвикан од стимулација на нервите додека неутрализираниот полнеж тече низ човечкото тело. Енергијата која се зачувува како статички електрицитет на некое тело варира во зависност од големината на телото и неговиот капацитет, напонот, и диелектричната константа на околината. Како модел на дејството на статичното празнење на чувствителни електронски уреди, човечкото тело е претставено како кондензатор на 100 пикофаради, со напон од 4000 до 35000 волти. При допир на објектот оваа енергија се испушта во помалку од една микросекунда.[5] Иако вкупната енергија е мала, од редот на милиџули, сепак може да ги оштети чувствителните електронски уреди. Поголеми објект можат да складираат повеќе енергија, која може да биде опасна при контакт или може да им оддаде некоја искра што може да се запали во запалив гас или прашина.

Молња[уреди | уреди извор]

Природно статичко празнење

Молња е природен пример на статичко празнење. Додека деталите се нејасни и остануваат предмет на дебата, почетната поделба на полнежите се смета дека е поврзана со контакт помеѓу ледени честички во облаците. Во принцип, значителни акумулации на полнежи можат само да се создадат во деловите со ниска електрична спроводливост (многу мал број на полнежи слободно да се движат во околината), па оттука излегува протокот на неутрализирани полнежи често резултат од неутрални атоми и молекули во воздухот кои се кинат, за да се формираат одделни позитивни и негативни полнежи, кои патуваат во спротивни насоки како електрична струја, неутрализирајќи ја првобитната акумулација на полнежот. Статичкиот набој во воздухот обично се распаѓа на овој начин на околу 10.000 волти по сантиметар (10 kV/cm) во зависност од влажноста.[6] Празнежот го затоплува околниот воздух предизвикувајќи светлина, и произведува шок бран кој предизвикува звук. Громот е едноставно поголема верзија на искри присутни кај повеќе домашни појави на статичко празнење. Громот се јавува поради тоа што воздухот се загрева до таква висока температура така што емитира светлина. Триперот на громот е резултат на шок бран создаден како затоплениот воздух експлозивно се проширува.

Електронски компоненти[уреди | уреди извор]

Многу полуспроводнички уреди кои се користат во електрониката се многу чувствителни на присуството на статички електрицитет и можат да бидат оштетени од статичко празнење. Употреба на антистатички појас е задолжителна за истражувачите при манипулирање на наноуреди. Дополнителни мерки на претпазливост може да се преземат ако се соблечат чевли со дебел гумен ѓон и постојано да се поставени на метална површина.

Статичко натрупување кај течните запаливи материјали[уреди | уреди извор]

Празнење на статичкиот електрицитет може да создаде сериозни опасности кај оние индустрии кои се занимаваат со запаливи супстанции, каде мали електрични искри можат да запалат експлозивни смеси.[7]

Лебдењето на ситни правливи супстанции или течности  со ниска спроводливост во цевки или преку механичка агитација можат да изградат статички електрицитет.[8] Протокот на гранули од материјали како песок по пластична цевка може да пренесе на полнеж, кој лесно може да се измери со користење на мултиметар поврзан со метална фолијата која ја покрива цевката, и може да биде доволно пропорционален за да предизвика проток.[9] Прашинските облаци на ситните правливи супстанции можат да станат запаливи или експлозивни. Кога има статичко празнење кај облак од прашина или пареа, тие експлодираат. Меѓу главните индустриски инциденти кои се случиле се: силос за жито во југозападна Франција, фабрика за боја во Тајланд, фабрика за изработка на фиберстаклени украси во Канада, експлозија на резервоар во Фленпул, Оклахома во 2003 година, и при полнење на подвижен резервоар и фабрика за тенкови во Дес Моинес, Ајова и Канзас во 2007 година.[10][11][12]

Способноста на течноста да задржи електростатско полнење зависи од нејзината електрична спроводливост. Кога течности со ниска спроводливост течат низ цевководи или се механички променети, поделбата на контакт индуцираниот полнеж се нарекува појава на проток на електрификацја.[13] Течностите кои имаат ниска електрична спроводливост (под 50 пикосименти на метар), се нарекуваат акумулатори. Течностите кои имаат спроводливост над 50 pS/m се нарекуваат не-акумулатори. Во не-акумулаторите, полнежите се местат што побрзо одкако тие се разделени и оттука акумулацијата на електростатското полнење не е важна. Во петрохемиската индустрија, 50 pS/m се препорачува како минимум вредност на електрична спроводливост за правилно и безбедно отстранување на полнеж од течност.

Керосинс може да имаат спроводливост која се движи од помалку од 1 пикосименс на метар до 20 pS/m. За споредба, дејонизираната вода има спроводливост од 10,000,000 pS/m или 10 µS/m.[14]

Масло за трансфоматор е дел од електричниот изолационен систем со моќни трансформатори и други електрични апарати. Повторното пополнување на големите апарати бара мерки на претпазливост против електростатскиот полнеж на течноста, која може да ја оштети чувствителната изолација на изолаторот.

Важен концепт за изолација на течности е статичкото време на релаксација. Ова е слично на временската константа τ (tau) во рамките на RC коло. За изолациони материјали, тоа е односот на статичните диелектричните константи поделени со електричната спроводливост на материјалот. За јаглеводородни течности, ова понекогаш е пресметано со делење на бројот 18 и електричната спроводливост на течноста. На тој начин течност која има електрична спроводливост на 1 pS/m има околу 18 секунди време на релаксација. Вишокот на полнежот во течноста ја снемува речиси во целост по четири до пет пати од времето на релаксација, или 90 секунди за течноста во примерот погоре.

Генерацијата на полнежот се зголемува во поголеми величини на течност и поголем дијаметар на цевката, како кај цевки од 8 инчи (200 мм) или поголем. Генерација на статички набој во овие системи е најдобро да се контролира со ограничување на величината на течноста. Британскиот стандард BS PD CLC/TR 50404:2003 (порано БС-5958-Дел 2) Код на Пракса за Контрола на Несакани Статички Електрицитет е пропишана границата за брзината на протокот низ цевката. Бидејќи содржината на вода има големо влијание на диелектричната константа на течностите, се препорачува брзината за јаглеводородни течности кои содржат вода да бидат ограничени на 1 метар во секунда.

Сврзување и заземјување се вообичаените начини со кои натрупувањет на полнежот може да се спречи. За течности со електрична спроводливост под 10 pS/m, сврзување и заземјување не се соодветни за дисипација на полнежот, и може да бидат потребни анти-статички адитиви.

Операции со горива[уреди | уреди извор]

Течењето на запаливи течности како бензин во внатрешноста на цевката може да создаде статички електрицитет. Не-поларните течности како што е бензин, ксилен, дизел, керосен и лесни сурови масла покажуваат значителна способност за акумулација на полнеж и задржување на полнежот за време на висока брзина на протокот. Електростатските празнења можат да запалат пареа од некое гориво.[15] Кога енергијата на електростатско празнење е доволно висока, таа може да запали пареа од гориво и мешавина од водух. Различни горива имаат различни запаливи граници и бараат различни нивоа на енергија на електростатско празнење за да се запалат.

Електростатско празнење кај бензин е голема опасност кај бензинските пумпи.[16] Започнале пожари на аеродромите додека го полнеле со гориво авионот со керосен. Нови технологии за заземјување, користењето на спроводнички материјали, и користењето на анти-статички адитиви помагаат во спречување или безбедно да се оттргне натрупувањето на статички електрицитет.

Течното движење на гасови во цевки само по себе  создава малку статички електрицитет.[17] Предвидено е дека генерација на механизам на полнеж се јавува само кога цврсти честички или течни капки се движат во гасната пареа.

Испуштање статички електрицитет при вселенско истражување[уреди | уреди извор]

Поради екстремно ниска влажност во вонземските средини, може да се акумулираат многу големи статични трошоци, предизвикувајќи голема опасност за комплексна електроника која се користи во возила за истражување на вселената. Статички електрицитет може да биде опасност за астронаутите на мисиите на Месечината и Марс. Одењето врз екстремно сув терен може да предизвика значителен износ на полнеж; отварање на airlock-от на нивното враќање може да предизвика големо статично празнење, потенцијално оштетувајќи ја чувствителната електроника.[18]

Озонско напукнување[уреди | уреди извор]

Статична испуштање во присуство на воздух или кислород може да се создаде озонската. Озонската може да се деградира гумени делови. Многу elastomers се чувствителни на озонската напукнување. Изложеност на озонската создава длабока пенетрирачка пукнатини во критични компоненти како дихтунзи и O-прстени. Гориво линии се, исто така, се подложни на проблемот, освен ако превентивна акција е донесена. Превентивни мерки вклучуваат додавање на анти-ozonants на гума микс, или со користење на озонската отпорни на еластомер. Пожари од разбиена гориво линии биле проблем на возила, особено во моторот прегради каде озонската можат да бидат произведени од страна на електрична опрема.

Вклучени енергии[уреди | уреди извор]

Енергијата ослободена при празнење на статички електрицитет може да варира. Енергијата во џули може да се пресметува од капацитетот (C) на објектот и статичкиот потенцијал V во волти (V) од страна на формула E = ½CV2.[19] Еден експерименталист проценил дека капацитетот на човечкото тело, има 400 пикофаради, и полнеж од 50,000 волти, испразнета, пр. при допир на наполнет автомобил, создава искра со енергија од 500 милиџули.[20] Друга проценка е 100-300 pF и 20.000 волти произведува максимална енергија од 60 мЈ.[21] IEC 479-2:1987 наведува дека за празнење со енергија поголема од 5000 mJ е сериозен ризик за здравјето на луѓето. IEC 60065 наведува дека потрошувачки производи не смеат да имаат празнење поголемо од 350 mJ.

Максималниот потенцијал е ограничен на околу 35-40 kV, поради празнење на короната подигнувајќи го полнежот на повисоки потенцијали. Потенцијали под 3000 volts се обично не забележливи од страна на луѓето. Максимален потенцијал најчесто се остварува на човечкото тело се движи помеѓу 1 и 10 kV, иако во оптимални услови се достигнува 20-25 kV. Ниска релативна влажност го зголемува натрупувањето на полнежот; одење 20 стапки (6.1 m) на винилен под со 15% релативна влажност предизвикува зголемување на напонот до 12 kV, додека во 80% влажност напонот е само 1,5 kV.[22]

Иако 0.2 милиџули се малку тие можат да представуваат опасност за запалување, такви ниска енергија и искра е често под прагот на човековите визуелни и аудитивни перцепции.

Енергијата потребна да им наштети на повеќето од електронски уреди е помеѓу 2 и 1000 наноџули.[23]

Релативно мала енергија, често од 0.2 до 2 millijoules, е потребна да се запали запаливата смеса од гориво и воздух. За индустриските јаглеводородни гасови и растворувачи, минималната енергија на палење потребна за да се запали мешавина од пареа и воздух е најниска за концентрацијата на пареа која е   приближно во средината меѓу долната експлозивна граница и горната експлозивна граница, и брзо се зголемува како што концентрацијата отстапува од оваа оптимала на двете страни. Аеросолсот на запаливите течности може да биде запален и под својата флеш точка. Генерално, течните аеросолс со честички со големини под 10 micrometers се однесуваат како пареа, честички со големини над 40 micrometers се однесуваат повеќе како запаливи прашини. Типичен минимум на запаливи концентрации на аеросолс се поставаат меѓу 15 и 50 g/m3. Слично, присуствотото на пена на површината на запалива течност значително ја зголемува запаливоста. Аеросол од запалива прашина може да биде запален, што резултира во правна експлозија; долната експлозивна граница обично се наоѓа помеѓу 50 и 1000 g/m3; пофини прашини имаат тенденција да бидат по експлозивни и бараат помалку енергија за да се запалат. Истовремено присуство на запаливи пареи и запалива прашина може значително да ја намали енергијата на палење; само 1 vol.% на пропан во воздухот може да ја намали потребната енергија за запалување до 100 пати. Повисока од нормалната содржина на кислород во атмосферата, исто значително го намалува нивото на енергија потребна за палење.[24]

Постојат пет типови на електрично празнење:

  • Искра, одговорна за поголемиот дел од индустриските пожари и експлозии каде е вклучен статички електрицитет. Искрите се јавуваат помеѓу објекти со различни електрични потенцијали. Добро заземјување на сите делови на опремата и мерки на претпазливост против натрупување на полнежот на опремата и персоналот се користат како превентивна мерка.
  • Празнење на полнеж кај четка се јавува кај неспроводничко наелектризирана површина или високо наелектризирани неспроводнички течности. Енергијата е ограничена на околу 4 милиџули. За да биде опасен, напонот кој учествува мора да биде над околу 20 киловолти, поларитетот на површината мора да биде негативен, запалива атмосфера мора да биде присутна на местото на празнењето, како и енергијата на празнење мора да биде доволна за палење. Понатаму, бидејќи површините имаат максимална густина на полнеж, мора да има површина од најмалку 100 cm2. Ова не се смета за опасност кај облаците од прашина.
  • Зголемување на празнењето кај четка е високо во енергија и опасно. Се јавува кога некоја изолациона површина до 8 mm дебелина (на пр. тефлон или стаклена обвиена метална цевка или реактор) е подложен на големо натрупување на полнеж помеѓу спротивните површини, кои делуваат како кондензатори со голема површина.
  • Конусно празнење, наречено растресито празнење на четка, се одвива на површини на наелектризирани честички со отпор над 1010 oми. Конусно празнење не се обично забележливи во правни волумени под 1 m3. Енергија која учествува зависи од големината на правните честички и на големината на полнежот, и може да достигне до 20 mJ. Поголеми волумени на прашина произведуваат поголема енергија.
  • Коронско празнење, кое се смета за не-опасен.

Примена на статички електрицитет[уреди | уреди извор]

Статичкиот електрицитет најчесто се користи во ксерографијата, филтрите за воздух (особено електростатски перципитатори), автомобилски бои, фотокопир машини, театри, подот во театрите, тестирање на прав, принтери, статичко поврзување и авионско гориво.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Dhogal (1986). Basic Electrical Engineering, Volume 1. Tata McGraw-Hill. стр. 41. ISBN 978-0-07-451586-0. https://books.google.com/books?id=iIAisqtIeGYC&pg=PA41. 
  2. Antistatic Bags for Parts. John Wiley and Sons. 2004. ISBN 978-0-7821-4360-7. https://books.google.com/books?id=e_WMSd2AEq0C&pg=PA9. посет. 13 април 2009 г. 
  3. Antistatic Wrist Strap. John Wiley and Sons. 2004. ISBN 978-0-7821-4360-7. https://books.google.com/books?id=e_WMSd2AEq0C&pg=PA9. посет. 13 април 2009 г. 
  4. „Safetoes: Safety Footwear“. Safetoes. Trojan Tooling. 2004. http://www.safetoes.co.uk/standards.php. посет. 13 април 2009 г. 
  5. Carlos Hernando Díaz, Sung-Mo Kang, Charvaka Duvvury, Modeling of electrical overstress in integrated circuits Springer, 1995 page 5
  6. J. J. Lowke. Theory of electrical breakdown in air. „Journal of Physics D: Applied Physics“ том  25 (2): 202–210. doi:10.1088/0022-3727/25/2/012. Bibcode1992JPhD...25..202L. 
  7. Kassebaum, J. H.; Kocken, R. A.. Controlling Static Electricity in Hazardous (Classified) Locations. „Petroleum and Chemical Industry 42nd Annual Conference Papers“: 105–113. doi:10.1109/PCICON.1995.523945. ISBN 0-7803-2909-0. 
  8. Wagner, John P.; Clavijo, Fernando Rangel Electrostatic charge generation during impeller mixing of used transformer oil Department of Nuclear Engineering, Safety Engineering and Industrial Hygiene Program, Texas A&M University, College Station, online 21 August 2000; accessed Jan 2009 doi:10.1016/S0304-3886(00)00019-X
  9. Downie, Neil A., Exploding Disk Cannons, Slimemobiles and 32 Other Projects for Saturday Science (Johns Hopkins University Press (2006), , chapter 33, pages 259-266 "Electric Sand"
  10. Hearn, Graham. Static electricity: concern in the pharmaceutical industry?. „Pharmaceutical Science & Technology Today“ том  1 (7): 286–287. doi:10.1016/S1461-5347(98)00078-9. 
  11. Storage Tank Explosion and Fire in Glenpool, Oklahoma April 7, 2003 National Transportation Safety Board
  12. Static Spark Ignites Flammable Liquid during Portable Tank Filling Operation Chemical Safety Board October 29, 2007
  13. Egorov, V.N.. Electrification of petroleum fuels. „Khimiya i Tekhnologiya Topliv i Masel“ том  4: 20–25. http://www.springerlink.com/content/x67066333p612133/fulltext.pdf?page=1. 
  14. Chevron Corporation Aviation Fuels Technical Review 2006, accessed Dec 2008
  15. Hearn, Graham Static electricity – guidance for Plant Engineers – Wolfson Electrostatics University of Southampton 2002; accessed Dec 2008
  16. "CarCare – Auto Clinic" Popular Mechanics, April 2003, p. 163.
  17. Kinzing, G.E., 'Electrostatic Effects in Pneumatic Transport: Assessment, Magnitudes and Future Direction', Journal Pipelines, 4, 95–102, 1984
  18. „NASA – Crackling Planets“. https://science.nasa.gov/headlines/y2005/10aug_crackling.htm. посет. 20 јануари 2008 г. 
  19. Nomograms for capacitive electrostatic discharge risk assessment. Ece.rochester.edu. Retrieved on 2010-02-08.
  20. „High voltage safety: VandeGraaff Electrostatic Generator“. amasci.com. http://amasci.com/emotor/safe.html. посет. 27 јануари 2010 г. 
  21. Index. Wolfsonelectrostatics.com. Retrieved on 2011-03-17.
  22. M.A. Kelly, G.E. Servais and T.V. Pfaffenbach An Investigation of Human Body Electrostatic Discharge, ISTFA ’93: The 19th International Symposium for Testing & Failure Analysis, Los Angeles, California, USA/15–19 November 1993
  23. „ESD Terms“. eed.gsfc.nasa.gov. http://eed.gsfc.nasa.gov/562/ESD_Terms.htm. посет. 27 јануари 2010 г. 
  24. Static Electricity Guidance for Plant Engineers Graham Hearn – Wolfson Electrostatics, University of Southampton