Electricitate statica - Static electricity

Contactul cu diapozitivul a lăsat părul acestui copil încărcat pozitiv, astfel încât firele individuale să se respingă reciproc. Părul poate fi, de asemenea, atras de suprafața glisantă încărcată negativ.

Electricitatea statică este un dezechilibru al încărcăturilor electrice în interiorul sau pe suprafața unui material. Încărcarea rămâne până când se poate îndepărta prin intermediul unui curent electric sau al unei descărcări electrice . Electricitatea statică este denumită în contrast cu curentul electric , care curge prin fire sau alți conductori și transmite energie .

O încărcare electrică statică poate fi creată ori de câte ori două suprafețe intră în contact și se uzează și se separă și cel puțin una dintre suprafețe are o rezistență ridicată la curent electric (și, prin urmare, este un izolator electric ). Efectele electricității statice sunt familiare celor mai mulți oameni, deoarece oamenii pot simți, auzi și chiar vedea scânteia, deoarece excesul de sarcină este neutralizat atunci când este apropiat de un conductor electric mare (de exemplu, o cale către sol) sau o regiune cu o sarcină în exces de polaritate opusă (pozitivă sau negativă). Fenomenul familiar al unui șoc static - mai precis, o descărcare electrostatică - este cauzat de neutralizarea unei sarcini.

Cauze

Materialele sunt formate din atomi care sunt în mod normal neutri din punct de vedere electric, deoarece conțin un număr egal de sarcini pozitive ( protoni în nucleele lor ) și sarcini negative ( electroni din „ cochilii ” care înconjoară nucleul). Fenomenul electricității statice necesită o separare a sarcinilor pozitive și negative. Când două materiale sunt în contact, electronii se pot deplasa de la un material la altul, ceea ce lasă un exces de sarcină pozitivă pe un material și o sarcină negativă egală pe celălalt. Atunci când materialele sunt separate, acestea păstrează acest dezechilibru de încărcare.

Separarea sarcinii indusă de contact

Arahidele din polistirol se agață de blana unei pisici datorită electricității statice. Acest efect este, de asemenea, cauza lipirii statice în haine.

Electronii pot fi schimbați între materiale la contact; materialele cu electroni slab legați tind să le piardă în timp ce materialele cu învelișuri exterioare slab umplute tind să le câștige. Acest lucru este cunoscut sub numele de efect triboelectric și are ca rezultat ca un material să fie încărcat pozitiv și celălalt să fie încărcat negativ. Polaritatea și puterea taxa pe un material odată ce acestea sunt separate depinde de pozițiile lor relative în seria triboelectrică . Efectul triboelectric este principala cauză a electricității statice, așa cum se observă în viața de zi cu zi și în demonstrațiile științifice obișnuite ale liceului care implică frecarea diferitelor materiale împreună (de exemplu, blana pe o tijă acrilică). Separarea de sarcină indusă de contact determină ridicarea părului și cauzează „ agățare statică ” (de exemplu, un balon frecat de păr devine încărcat negativ; când se află lângă un perete, balonul încărcat este atras de particulele încărcate pozitiv din perete și se poate „agăța” de el, parând a fi suspendat împotriva gravitației).

Separarea sarcinii indusă de presiune

Stresul mecanic aplicat generează o separare a sarcinii în anumite tipuri de cristale și molecule de ceramică .

Separarea sarcinii indusă de căldură

Încălzirea generează o separare a sarcinii în atomii sau moleculele anumitor materiale. Toate materialele piroelectrice sunt, de asemenea, piezoelectrice. Proprietățile atomice sau moleculare ale răspunsului la căldură și presiune sunt strâns legate.

Separarea sarcinii indusă de încărcare

Un obiect încărcat apropiat de un obiect neutru din punct de vedere electric determină o separare a sarcinii în interiorul obiectului neutru. Sarcinile cu aceeași polaritate sunt respinse și sarcinile cu polaritatea opusă sunt atrase. Deoarece forța datorată interacțiunii sarcinilor electrice scade rapid odată cu creșterea distanței, efectul sarcinilor mai apropiate (polaritate opusă) este mai mare și cele două obiecte simt o forță de atracție. Efectul este cel mai pronunțat atunci când obiectul neutru este un conductor electric, deoarece sarcinile sunt mai libere să se miște. Împământarea atentă a unei părți a unui obiect cu o separare de sarcină indusă de sarcină poate adăuga sau elimina permanent electroni, lăsând obiectul cu o încărcare globală permanentă. Acest proces este parte integrantă a funcționării generatorului Van de Graaff , un dispozitiv utilizat în mod obișnuit pentru a demonstra efectele electricității statice.

Îndepărtarea și prevenirea

O placă de rețea în interiorul unui sac antistatic .

O curea antistatică pentru încheietura mâinii cu clemă de crocodil .

Îndepărtarea sau prevenirea acumulării de sarcini statice poate fi la fel de simplă ca deschiderea unei ferestre sau utilizarea unui umidificator pentru a crește conținutul de umiditate al aerului, făcând atmosfera mai conductivă. Ionizatoarele de aer pot îndeplini aceeași sarcină.

Articolele care sunt deosebit de sensibile la descărcarea statică pot fi tratate cu aplicarea unui agent antistatic , care adaugă un strat de suprafață conductoare care asigură distribuirea uniformă a excesului de sarcină. Balsamurile și foile de uscare utilizate la mașinile de spălat și uscătoarele de haine sunt un exemplu de agent antistatic utilizat pentru prevenirea și îndepărtarea agățării statice .

Multe dispozitive semiconductoare utilizate în electronică sunt deosebit de sensibile la descărcarea statică. Pungile antistatice conductoare sunt utilizate în mod obișnuit pentru a proteja astfel de componente. Oamenii care lucrează pe circuite care conțin aceste dispozitive se leagă adesea cu o curea antistatică conductivă .

În condițiile industriale, cum ar fi vopseaua sau plantele de făină, precum și în spitale, cizmele de siguranță antistatică sunt uneori folosite pentru a preveni acumularea de sarcini statice datorită contactului cu podeaua. Acești pantofi au tălpi cu o bună conductivitate. Pantofii anti-statici nu trebuie confundați cu pantofii izolați, care oferă exact avantajul opus - o anumită protecție împotriva șocurilor electrice grave de la tensiunea rețelei .

Descărcare statică

Scânteia asociată cu electricitatea statică este cauzată de descărcări electrostatice, sau pur și simplu descărcare statică, deoarece excesul de sarcină este neutralizat de un flux de încărcări din sau către împrejurimi.

Senzația de șoc electric este cauzată de stimularea nervilor pe măsură ce curentul de neutralizare curge prin corpul uman. Energia stocată ca electricitate statică pe un obiect variază în funcție de mărimea obiectului și capacitatea acestuia , de tensiunea la care este încărcată și de constanta dielectrică a mediului înconjurător. Pentru modelarea efectului descărcării statice asupra dispozitivelor electronice sensibile, o ființă umană este reprezentată ca un condensator de 100 de picofarade , încărcat la o tensiune de la 4000 la 35000 de volți. Atunci când atingeți un obiect, această energie este descărcată în mai puțin de o microsecundă. În timp ce energia totală este mică, din ordinul milioanelor , poate deteriora în continuare dispozitivele electronice sensibile. Obiectele mai mari vor stoca mai multă energie, care poate fi direct periculoasă pentru contactul uman sau care poate da o scânteie care poate aprinde gaz sau praf inflamabil.

Fulger

Descărcare statică naturală

Fulgerul este un exemplu natural dramatic de descărcare statică. În timp ce detaliile sunt neclare și rămân un subiect de dezbatere, separarea inițială a sarcinii este asociată cu contactul dintre particulele de gheață din nori de furtună. În general, acumulările semnificative de sarcini pot persista numai în regiuni cu conductivitate electrică scăzută (foarte puține sarcini libere să se miște în împrejurimi), prin urmare fluxul de sarcini neutralizante rezultă adesea din atomii neutri și moleculele din aer care sunt rupte pentru a forma pozitive separate și sarcini negative, care se deplasează în direcții opuse ca un curent electric, neutralizând acumularea inițială de sarcină. Încărcarea statică din aer se descompune de obicei în acest fel la aproximativ 10.000 volți pe centimetru (10 kV / cm), în funcție de umiditate. Descărcarea supraîncălzește aerul înconjurător provocând blițul strălucitor și produce o undă de șoc provocând sunetul de clic. Fulgerul este pur și simplu o versiune mărită a scânteilor observate în apariții mai domestice de descărcare statică. Blițul apare deoarece aerul din canalul de descărcare este încălzit la o temperatură atât de ridicată încât emite lumină prin incandescență . Bătutul tunetului este rezultatul undei de șoc create pe măsură ce aerul supraîncălzit se extinde exploziv.

Componente electronice

Multe dispozitive semiconductoare utilizate în electronică sunt foarte sensibile la prezența electricității statice și pot fi deteriorate de o descărcare statică. Utilizarea unei curele antistatice este obligatorie pentru cercetătorii care manipulează nanodispozitivele. Alte măsuri de precauție pot fi luate prin scoaterea pantofilor cu tălpi groase de cauciuc și rămânerea permanentă cu un pământ metalic.

Acumulare statică în materiale inflamabile și inflamabile care curg

Electricitatea statică este un pericol major atunci când realimentează o aeronavă.

Descărcarea electricității statice poate crea pericole severe în acele industrii care se ocupă cu substanțe inflamabile, unde o scânteie electrică mică ar putea aprinde amestecuri explozive.

Mișcarea de curgere a substanțelor sub formă de pulbere fină sau a fluidelor cu conductivitate scăzută în conducte sau prin agitație mecanică poate acumula electricitate statică. Fluxul de granule de material, cum ar fi nisipul pe o jgheabă de plastic, poate transfera sarcina, care poate fi ușor măsurată folosind un multimetru conectat la folie de metal care căptușește jgheabul la intervale și poate fi aproximativ proporțională cu debitul de particule. Norii de praf cu substanțe sub formă de pulbere fină pot deveni combustibili sau explozivi. Atunci când există o descărcare statică într-un nor de praf sau vapori, au avut loc explozii. Printre incidentele industriale majore care au avut loc sunt: un siloz de cereale în sud-vestul Franței, o fabrică de vopsea în Thailanda, o fabrică care fabrică mulaje din fibră de sticlă în Canada, o explozie a rezervorului de stocare în Glenpool , Oklahoma în 2003, și o operațiune portabilă de umplere a rezervoarelor și o fermă de tancuri în Des Moines , Iowa și Valley Center, Kansas în 2007.

Capacitatea unui fluid de a reține o sarcină electrostatică depinde de conductivitatea sa electrică. Când fluidele cu conductivitate scăzută curg prin conducte sau sunt agitate mecanic, are loc separarea sarcinii indusă de contact, numită electrificare a fluxului . Fluidele care au o conductivitate electrică scăzută (sub 50 picosiemens pe metru), se numesc acumulatori. Fluidele cu conductivitate peste 50 pS / m se numesc neacumulatoare. La non-acumulatori, încărcăturile se recombină la fel de repede pe cât sunt separate și, prin urmare, acumularea de sarcini electrostatice nu este semnificativă. În industria petrochimică , 50 pS / m este valoarea minimă recomandată a conductivității electrice pentru îndepărtarea adecvată a încărcăturii dintr-un fluid.

Kerosinele pot avea conductivitate variind de la mai puțin de 1 picosiemens pe metru la 20 pS / m. Pentru comparație, apa deionizată are o conductivitate de aproximativ 10.000.000 pS / m sau 10 µS / m.

Uleiul pentru transformatoare face parte din sistemul de izolare electrică a transformatoarelor mari de putere și a altor aparate electrice. Reumplerea aparatelor mari necesită precauții împotriva încărcării electrostatice a fluidului, care poate deteriora izolația sensibilă a transformatorului.

Un concept important pentru fluidele izolante este timpul static de relaxare. Aceasta este similară cu constanta de timp τ (tau) într-un circuit RC . Pentru materialele izolante, este raportul constantei dielectrice statice împărțit la conductivitatea electrică a materialului. Pentru fluidele cu hidrocarburi, aceasta este uneori aproximată prin împărțirea numărului 18 la conductivitatea electrică a fluidului. Astfel, un fluid care are o conductivitate electrică de 1 pS / m are un timp de relaxare estimat de aproximativ 18 secunde. Excesul de încărcare dintr-un fluid se disipă aproape complet după patru până la cinci ori timpul de relaxare sau 90 de secunde pentru fluidul din exemplul de mai sus.

Generarea de încărcare crește la viteze mai mari ale fluidului și diametre mai mari ale țevilor, devenind destul de semnificative în țevile de 8 inci (200 mm) sau mai mari. Generarea sarcinii statice în aceste sisteme este cel mai bine controlată prin limitarea vitezei fluidului. Standardul britanic BS PD CLC / TR 50404: 2003 (anterior BS-5958-Partea 2) Codul de practică pentru controlul electricității statice nedorite prescrie limitele de viteză a debitului conductelor. Deoarece conținutul de apă are un impact mare asupra constantei dielectrice a fluidelor, viteza recomandată pentru fluidele cu hidrocarburi care conțin apă ar trebui să fie limitată la 1 metru pe secundă.

Legarea și legarea la pământ sunt modalitățile obișnuite de prevenire a acumulării încărcăturii. Pentru fluidele cu conductivitate electrică sub 10 pS / m, lipirea și împământarea nu sunt adecvate pentru disiparea sarcinii și pot fi necesari aditivi anti-statici.

Operațiuni de alimentare

Mișcarea curentă a lichidelor inflamabile, cum ar fi benzina în interiorul unei conducte, poate acumula electricitate statică. Lichidele nepolare, cum ar fi benzina , toluenul , xilenul , motorina , kerosenul și uleiurile brute ușoare prezintă o capacitate semnificativă de acumulare a sarcinii și de reținere a sarcinii în timpul fluxului cu viteză mare. Descărcările electrostatice pot aprinde vaporii de combustibil. Când energia de descărcare electrostatică este suficient de mare, poate aprinde un amestec de vapori de combustibil și aer. Combustibilii diferiți au limite diferite de inflamabilitate și necesită niveluri diferite de energie de descărcare electrostatică pentru a se aprinde.

Descărcarea electrostatică în timpul alimentării cu benzină este un pericol prezent la benzinării . Au fost declanșate incendii și pe aeroporturi în timp ce alimentau avioanele cu kerosen. Noile tehnologii de împământare, utilizarea materialelor conductoare și adăugarea de aditivi anti-statici ajută la prevenirea sau disiparea în siguranță a acumulării de electricitate statică.

Mișcarea curentă a gazelor în conducte creează singură electricitate statică mică, dacă există. Se preconizează că un mecanism de generare a sarcinii are loc numai atunci când particulele solide sau picăturile de lichid sunt transportate în fluxul de gaz.

În explorarea spațiului

Datorită umidității extrem de scăzute în mediile extraterestre, se pot acumula sarcini statice foarte mari, provocând un pericol major pentru electronica complexă utilizată în vehiculele de explorare spațială. Electricitate statică este considerat a fi un pericol special pentru astronauti pe misiuni planificate pentru Lună și Marte . Mersul pe terenul extrem de uscat ar putea determina acumularea unei cantități semnificative de încărcare; întinderea mâinii pentru a deschide clapeta de aer la întoarcere ar putea provoca o descărcare statică mare, potențial deteriorând electronice sensibile.

Crăparea ozonului

Crăparea ozonului în tuburile de cauciuc natural

O descărcare statică în prezența aerului sau a oxigenului poate crea ozon . Ozonul poate degrada piesele din cauciuc. Mulți elastomeri sunt sensibili la crăparea ozonului . Expunerea la ozon creează fisuri penetrante adânci în componente critice , cum ar fi garnituri și garnituri inelare . Liniile de combustibil sunt, de asemenea, susceptibile la problemă, cu excepția cazului în care se iau măsuri preventive. Măsurile preventive includ adăugarea de anti-ozonanți la amestecul de cauciuc sau utilizarea unui elastomer rezistent la ozon. Incendiile de la conductele de combustibil crăpate au reprezentat o problemă pentru vehicule, în special în compartimentele motorului unde ozonul poate fi produs de echipamentele electrice.

Energiile implicate

Energia eliberată într-o descărcare de electricitate statică poate varia pe o gamă largă. Energia în jouli poate fi calculată din capacitatea ( C ) a obiectului și potențialul static V în volți (V) prin formula E = ½ CV ² . Un experimentator estimează capacitatea corpului uman de până la 400 de picofarade și o încărcare de 50.000 de volți, descărcată, de exemplu, în timpul atingerii unei mașini încărcate, creând o scânteie cu o energie de 500 de milijouli. O altă estimare este de 100-300 pF și 20.000 volți, producând o energie maximă de 60 mJ. IEC 479 -2: 1987 afirmă că o descărcare cu energie mai mare de 5000 mJ reprezintă un risc serios direct pentru sănătatea umană. IEC 60065 afirmă că produsele de consum nu pot descărca mai mult de 350 mJ într-o persoană.

Potențialul maxim este limitat la aproximativ 35-40 kV, datorită descărcării coroanei disipând sarcina la potențiale mai mari. Potențialul sub 3000 de volți nu este de obicei detectabil de către oameni. Potențialul maxim obținut în mod obișnuit pe corpul uman variază între 1 și 10 kV, deși în condiții optime pot fi atinse până la 20-25 kV. Umiditatea relativă scăzută crește acumularea de încărcare; mersul pe jos de 20 picioare (6 m) pe podeaua de vinil la o umiditate relativă de 15% determină acumularea unei tensiuni de până la 12 kV, în timp ce la o umiditate de 80%, tensiunea este de numai 1,5 kV.

Doar 0,2 milijuli pot prezenta un pericol de aprindere; o astfel de energie scânteie scăzută este adesea sub pragul percepției vizuale și auditive umane.

Energiile tipice de aprindere sunt:

0,017 mJ pentru hidrogen ,
0,2-2 mJ pentru vaporii de hidrocarburi ,
1–50 mJ pentru praf inflamabil fin,
40–1000 mJ pentru praf inflamabil grosier.

Energia necesară pentru a deteriora majoritatea dispozitivelor electronice este cuprinsă între 2 și 1000 nanojouli.

Pentru a aprinde un amestec inflamabil de combustibil și aer este necesară o energie relativ mică, adesea de până la 0,2-2 milijouli. Pentru gazele și solvenții industriali de hidrocarburi obișnuiți, energia minimă de aprindere necesară pentru aprinderea amestecului de vapori-aer este cea mai mică pentru concentrația de vapori aproximativ la mijloc între limita inferioară de exploziv și limita superioară de exploziv și crește rapid pe măsură ce concentrația se abate de la acest optim pentru ambele părți. Aerosolii de lichide inflamabile pot fi aprinși cu mult sub punctul lor de aprindere . În general, aerosolii lichizi cu dimensiuni ale particulelor sub 10 micrometri se comportă ca vapori, dimensiunile particulelor peste 40 micrometri se comportă mai mult ca prafuri inflamabile. Concentrațiile minime tipice inflamabile de aerosoli se situează între 15 și 50 g / m ³ . În mod similar, prezența spumei pe suprafața unui lichid inflamabil crește semnificativ aprinderea. Aerosolul de praf inflamabil poate fi aprins și el, rezultând o explozie de praf ; limita inferioară de exploziv se situează de obicei între 50 și 1000 g / m ³ ; prafurile mai fine tind să fie mai explozive și necesită mai puțină energie de scânteie pentru a porni. Prezența simultană a vaporilor inflamabili și a prafului inflamabil poate reduce semnificativ energia de aprindere; doar 1% volan de propan din aer poate reduce de 100 de ori energia necesară de aprindere a prafului. Conținutul de oxigen mai mare decât cel normal în atmosferă scade, de asemenea, semnificativ energia de aprindere.

Există cinci tipuri de descărcări electrice :

Spark , responsabil pentru majoritatea incendiilor și exploziilor industriale în care este implicată electricitatea statică. Scântei apar între obiecte cu diferite potențiale electrice. Ca măsuri de prevenire se utilizează o legare la pământ bună a tuturor părților echipamentului și măsuri de precauție împotriva acumulărilor de sarcină pe echipamente și personal.
Descărcarea periei are loc de la o suprafață încărcată neconductivă sau lichide neconductoare foarte încărcate. Energia este limitată la aproximativ 4 milijuli. Pentru a fi periculos, tensiunea implicată trebuie să fie peste aproximativ 20 kilovolți, polaritatea suprafeței trebuie să fie negativă, o atmosferă inflamabilă trebuie să fie prezentă la punctul de descărcare și energia de descărcare trebuie să fie suficientă pentru aprindere. Mai mult, deoarece suprafețele au o densitate maximă de încărcare,trebuie să fie implicatăo suprafață de cel puțin 100 cm² . Acest lucru nu este considerat a fi un pericol pentru norii de praf.
Înmulțirea descărcării periei este bogată în energie și periculoasă. Apare atunci când o suprafață izolantă de până la 8 mm grosime (de exemplu, o căptușeală din teflon sau sticlă a unei țevi metalice împământate sau a unui reactor) este supusă unei acumulări mari între suprafețele opuse, acționând ca un condensator de suprafață mare.
Descărcarea conului , numită și descărcarea periei voluminoase , are loc pe suprafețe de pulberi încărcate cu rezistență peste 10 ¹⁰ ohmi sau, de asemenea, adânc prin masa pulberii. Descărcările de con nu sunt de obicei observate în volume de praf sub 1 m ³ . Energia implicată depinde de mărimea bobului de pulbere și de mărimea sarcinii și poate ajunge până la 20 mJ. Volumele mai mari de praf produc energii mai mari.
Descărcare Corona , considerată nepericuloasă.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

Medii legate de electricitatea statică la Wikimedia Commons
Definiția dicționarului de electricitate statică la Wikționar

Languages

In other projects