Elektryczność statyczna — czym jest, jak powstaje i jakie są problemy z nią związane

Co to jest elektryczność statyczna

Elektryczność statyczna występuje, gdy równowaga wewnątrzatomowa lub wewnątrzcząsteczkowa jest zaburzona z powodu wzmocnienia lub utraty elektronu. Zwykle atom jest w równowadze z powodu tej samej liczby cząstek dodatnich i ujemnych — protonów i elektronów. Elektrony mogą łatwo przenosić się z jednego atomu do drugiego. Jednocześnie tworzą jony dodatnie (tam, gdzie nie ma elektronu) lub ujemne (pojedynczy elektron lub atom z dodatkowym elektronem). Kiedy występuje ta nierównowaga, generowana jest elektryczność statyczna.

Aby uzyskać więcej informacji, zobacz tutaj: O elektryczności statycznej na obrazach

Ładunek elektryczny elektronu — (-) 1,6 x 10-19 wisiorka. Proton o tym samym ładunku ma dodatnią polaryzację. Ładunek statyczny w kulombach jest wprost proporcjonalny do nadmiaru lub niedoboru elektronów, tj. liczba niestabilnych jonów.

Zawieszka jest podstawową jednostką ładunku statycznego, która określa ilość energii elektrycznej przechodzącej przez przekrój drutu w ciągu 1 sekundy przy natężeniu 1 ampera.

Jon dodatni nie ma jednego elektronu, dlatego może łatwo przyjąć elektron z ujemnie naładowanej cząstki. Z kolei jon ujemny może być albo pojedynczym elektronem, albo atomem/cząsteczką z dużą liczbą elektronów. W obu przypadkach istnieje elektron, który może zneutralizować ładunek dodatni.

Jak powstaje elektryczność statyczna

Główne przyczyny elektryczności statycznej:

• Kontakt między dwoma materiałami i ich oddzielenie od siebie (w tym tarcie, zwijanie/odwijanie itp.).

• Gwałtowny spadek temperatury (na przykład po umieszczeniu materiału w piekarniku).

• Promieniowanie wysokoenergetyczne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie, silne pola elektryczne (nieczęste w zastosowaniach przemysłowych).

• Operacje cięcia (np. na maszynach do cięcia lub maszynach do cięcia papieru).

• Podręcznik (generowana elektryczność statyczna).

Kontakt powierzchniowy i separacja materiałów to prawdopodobnie najczęstsze przyczyny elektryczności statycznej w branży folii rolowanej i arkuszy z tworzyw sztucznych. Ładunek elektrostatyczny powstaje podczas odwijania/zwijania materiałów lub przemieszczania się różnych warstw materiałów względem siebie.

Proces ten nie jest do końca jasny, ale najprawdziwsze wyjaśnienie pojawienia się elektryczności statycznej w tym przypadku można uzyskać przez analogię do płaskiego kondensatora, w którym energia mechaniczna jest przekształcana w energię elektryczną po rozdzieleniu okładek:

Wynikowe naprężenie = początkowe naprężenie x (końcowy odstęp między płytami / początkowy odstęp między płytami).

Gdy folia syntetyczna styka się z rolką podającą/odbierającą, niewielki ładunek płynący z materiału na rolkę powoduje zachwianie równowagi.W miarę pokonywania przez materiał powierzchni styku z wałem napięcie rośnie w taki sam sposób jak w przypadku okładki kondensatora w momencie ich rozdzielenia.

Praktyka pokazuje, że amplituda powstałego napięcia jest ograniczona z powodu przebicia elektrycznego, które występuje w szczelinie między sąsiednimi materiałami, przewodności powierzchniowej i innych czynników. Na wyjściu filmu z obszaru styku często można usłyszeć lekkie trzaski lub zaobserwować iskry. Dzieje się tak w momencie, gdy ładunek elektrostatyczny osiągnie wartość wystarczającą do rozbicia otaczającego powietrza.

Folia syntetyczna przed kontaktem z rolką jest elektrycznie obojętna, jednak w trakcie ruchu i kontaktu z powierzchniami zasilającymi strumień elektronów kierowany jest na folię i ładuje ją ładunkiem ujemnym. Jeśli wał jest metalowy i uziemiony, jego ładunek dodatni szybko się rozładuje.

Większość urządzeń ma wiele wałków, więc ilość ładunku i jego biegunowość mogą się często zmieniać. Najlepszym sposobem kontrolowania ładunku statycznego jest jego dokładny pomiar w obszarze tuż przed obszarem problematycznym. Jeśli ładunek zostanie zneutralizowany zbyt wcześnie, może się zregenerować, zanim film dotrze do tego problematycznego obszaru.

Jeśli obiekt ma zdolność magazynowania znacznego ładunku i występuje wysokie napięcie, elektryczność statyczna spowoduje poważne problemy, takie jak wyładowania łukowe, odpychanie/przyciąganie elektrostatyczne lub porażenie prądem elektrycznym personelu.

Naładuj biegunowość

Ładunek statyczny może być dodatni lub ujemny.W przypadku prądu stałego (AC) i pasywnych ograniczników (szczotek) polaryzacja ładunku zwykle nie ma znaczenia.

Problemy z elektrycznością statyczną

Wyładowania elektrostatyczne w elektronice

Należy zwrócić uwagę na ten problem, jak to często bywa przy pracy z blokami elektronicznymi i elementami stosowanymi w nowoczesnych urządzeniach kontrolno-pomiarowych.

W elektronice główne zagrożenie związane z elektrycznością statyczną pochodzi od osoby niosącej ładunek i nie należy go ignorować. Prąd rozładowania generuje ciepło, co prowadzi do zerwania połączeń, zerwania styków i zerwania ścieżek mikroukładów. Wysokie napięcie niszczy również cienką warstwę tlenku na tranzystorach polowych i innych powlekanych elementach.

Często komponenty nie zawodzą całkowicie, co można uznać za jeszcze bardziej niebezpieczne, ponieważ awaria nie pojawia się natychmiast, ale w nieprzewidywalnym momencie podczas pracy urządzenia.

Zasadniczo podczas pracy z częściami i urządzeniami wrażliwymi na wyładowania elektrostatyczne należy zawsze podejmować kroki w celu zneutralizowania nagromadzonego ładunku na ciele.

Przyciąganie/odpychanie elektrostatyczne

Jest to prawdopodobnie najczęstszy problem w przemyśle tworzyw sztucznych, papierniczym, tekstylnym i pokrewnych. Przejawia się to w tym, że materiały niezależnie zmieniają swoje zachowanie — sklejają się lub odwrotnie, odpychają, przyklejają się do sprzętu, przyciągają kurz, nieregularny wiatr na urządzeniu odbiorczym itp.

Przyciąganie/odpychanie następuje zgodnie z prawem Coulomba, które opiera się na zasadzie przeciwieństwa kwadratu. W najprostszej postaci wyraża się to następująco:

Siła przyciągania lub odpychania (w niutonach) = ładunek (A) x ładunek (B) / (odległość między obiektami 2 (w metrach)).

Dlatego intensywność tego efektu jest bezpośrednio związana z amplitudą ładunku statycznego i odległością między przyciągającymi lub odpychającymi obiektami. Przyciąganie i odpychanie następuje w kierunku linii pola elektrycznego.

Jeśli dwa ładunki mają tę samą biegunowość, odpychają się; jeśli jest odwrotnie, przyciągają się nawzajem. Jeśli jeden z obiektów zostanie naładowany, spowoduje to przyciąganie, tworząc lustrzane odbicie ładunku na neutralnych obiektach.

Ryzyko pożaru

Zagrożenie pożarowe nie jest powszechnym problemem dla wszystkich branż. Ale prawdopodobieństwo pożaru jest bardzo wysokie w drukarniach i innych firmach, które używają łatwopalnych rozpuszczalników.

W obszarach zagrożonych wybuchem najczęstszymi źródłami zapłonu są nieuziemione urządzenia i ruchome przewody. Jeśli operator w obszarze niebezpiecznym nosi obuwie sportowe lub buty z nieprzewodzącymi podeszwami, istnieje ryzyko, że jego ciało wytworzy ładunek, który może zapalić rozpuszczalniki. Niebezpieczne są również nieuziemione przewodzące części maszyny. Wszystko w strefie zagrożenia musi być odpowiednio uziemione.

Poniższe informacje zawierają krótkie wyjaśnienie potencjału zapłonu elektryczności statycznej w łatwopalnym środowisku. Ważne jest, aby niedoświadczeni handlowcy z wyprzedzeniem zapoznali się z rodzajami sprzętu, aby uniknąć pomyłek w doborze urządzeń do zastosowania w takich warunkach.

Zdolność wyładowania do wywołania pożaru zależy od wielu zmiennych:

• rodzaj utylizacji;

• moc rozładowania;

• źródło wyładowania;

• energia rozładowania;

• obecność łatwopalnego środowiska (rozpuszczalniki w fazie gazowej, pył lub łatwopalne ciecze);

• minimalna energia zapłonu (MEW) łatwopalnego medium.

Rodzaje wyładowań

Istnieją trzy główne typy — pędzle iskrowe, pędzle i pędzle ślizgowe. W tym przypadku wyładowanie wieńcowe nie jest brane pod uwagę, ponieważ nie jest bardzo energiczne i dzieje się dość wolno. Wyładowanie koronowe jest generalnie nieszkodliwe i powinno być brane pod uwagę tylko w obszarach o bardzo wysokim zagrożeniu pożarem i wybuchem.

Szczere zwolnienie

Pochodzi głównie z umiarkowanie przewodzącego, izolowanego elektrycznie przedmiotu. Może to być ludzkie ciało, część maszyny lub narzędzie. Zakłada się, że cała energia ładunku jest rozpraszana w momencie iskrzenia. Jeśli energia jest wyższa niż MEW par rozpuszczalnika, może nastąpić zapłon.

Energię iskry oblicza się w następujący sposób: E (w dżulach) = ½ C U2.

Wyładowanie z rąk

Wyładowanie szczotkowe występuje, gdy ostre elementy wyposażenia skupiają ładunek na powierzchniach materiałów dielektrycznych, których właściwości izolacyjne powodują jego akumulację. Wyładowanie szczotkowe ma niższą energię niż wyładowanie iskrowe i dlatego stwarza mniejsze zagrożenie zapłonem.

Rozprowadzaj przesuwanym pędzlem

Natryskiwanie pędzlem przesuwnym odbywa się na arkuszach lub rolkach materiałów syntetycznych o wysokiej rezystywności ze zwiększoną gęstością ładunku i różnymi polaryzacjami ładunku po każdej stronie wstęgi. Zjawisko to może być spowodowane pocieraniem lub natryskiwaniem powłoki proszkowej. Efekt jest porównywalny do wyładowania płaskiego kondensatora i może być równie niebezpieczny jak wyładowanie iskrowe.

Źródło siły i energii

Ważnymi czynnikami są wielkość i geometria rozkładu ładunku. Im większa objętość ciała, tym więcej zawiera energii. Ostre rogi zwiększają siłę pola i podtrzymują wyładowania.

Moc rozładowania

Jeśli obiekt z energią nie zachowuje się dobrze Elektrycznośćnp. ludzkiego ciała, opór przedmiotu osłabi wyrzucenie i zmniejszy zagrożenie. W przypadku ludzkiego ciała obowiązuje podstawowa zasada: załóżmy, że wszystkie rozpuszczalniki o wewnętrznej minimalnej energii zapłonu mniejszej niż 100 mJ mogą się zapalić, pomimo faktu, że energia zawarta w ciele może być 2 do 3 razy większa.

Minimalna energia zapłonu MEW

Bardzo ważnymi czynnikami są minimalna energia zapłonu rozpuszczalników i ich stężenie w obszarze zagrożonym wybuchem. Jeśli minimalna energia zapłonu jest niższa niż energia wyładowania, istnieje ryzyko pożaru.

Wstrząs elektryczny

Coraz więcej uwagi poświęca się zagadnieniu zagrożenia porażeniem elektrostatycznym w przedsiębiorstwie przemysłowym. Wynika to ze znacznego wzrostu wymagań w zakresie bezpieczeństwa i higieny pracy.

Porażenie prądem spowodowane elektrycznością statyczną na ogół nie jest szczególnie niebezpieczne. Jest to po prostu nieprzyjemne i często powoduje poważne reakcje.

Istnieją dwie typowe przyczyny wstrząsu statycznego:

Ładunek indukowany

Jeśli osoba znajduje się w polu elektrycznym i trzyma naładowany przedmiot, taki jak rolka filmu, jej ciało może zostać naładowane.

Ładunek pozostaje w ciele operatora, jeśli nosi on buty z izolującymi podeszwami, dopóki nie dotknie uziemionego sprzętu. Ładunek spływa na ziemię i uderza w osobę. Dzieje się tak również wtedy, gdy operator dotyka naładowanych przedmiotów lub materiałów — dzięki izolującym butom ładunek gromadzi się w ciele. Gdy operator dotknie metalowych części urządzenia, ładunek może zostać rozładowany i spowodować porażenie prądem.

Kiedy ludzie chodzą po syntetycznych dywanach, elektryczność statyczna jest generowana przez kontakt między dywanem a butami. Wstrząsy elektryczne, których doświadczają kierowcy, gdy wysiadają z samochodu, są wywoływane przez ładunek nagromadzony między siedzeniem a ich ubraniem, gdy wstają. Rozwiązaniem tego problemu jest dotknięcie metalowej części samochodu, takiej jak framuga drzwi, przed podniesieniem z siedzenia. Dzięki temu ładunek bezpiecznie spływa do podłoża przez nadwozie pojazdu i opony.

Porażenie prądem wywołane przez sprzęt

Takie porażenie prądem jest możliwe, choć zdarza się znacznie rzadziej niż uszkodzenia wywołane przez materiał.

Jeżeli szpula odbiorcza ma znaczny ładunek, zdarza się, że palce operatora skupiają ładunek do tego stopnia, że ​​dochodzi on do punktu zerwania i następuje rozładowanie. Ponadto, jeśli nieuziemiony przedmiot metalowy znajduje się w polu elektrycznym, może zostać naładowany ładunkiem indukowanym. Ponieważ metalowy przedmiot jest przewodzący, ładunek mobilny rozładuje się w osobie dotykającej przedmiotu.