.jpg/440px-Static_on_the_playground_(48616367).jpg)
.jpg){kind=link}
| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
Статическое электричество - это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Заряд сохраняется до тех пор, пока он не сможет уйти с помощью электрического тока или электрического разряда . Статическое электричество названо в отличие от текущего электричества , которое течет по проводам или другим проводникам и передает энергию . [1]
Статический электрический заряд может возникать всякий раз, когда две поверхности соприкасаются, изнашиваются и разделяются, и по крайней мере одна из поверхностей имеет высокое сопротивление электрическому току (и, следовательно, является электрическим изолятором ). Эффекты статического электричества знакомы большинству людей, потому что люди могут чувствовать, слышать и даже видеть искру, поскольку избыточный заряд нейтрализуется при приближении к большому электрическому проводнику (например, пути к земле) или области с избыточный заряд противоположной полярности (положительный или отрицательный). Знакомое явление статического разряда, а точнее, электростатического разряда, вызвано нейтрализацией заряда.
Причины [ править ]
Материалы состоят из атомов, которые обычно электрически нейтральны, потому что они содержат равное 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 от одного материала к другому, что оставляет избыток положительного заряда на одном материале и равный отрицательный заряд на другом. Когда материалы разделены, они сохраняют этот дисбаланс заряда.
Контактно-индуцированное разделение зарядов
Электроны могут обмениваться между материалами при контакте; материалы со слабосвязанными электронами имеют тенденцию терять их, в то время как материалы с редко заполненными внешними оболочками имеют тенденцию их приобретать. Это называется трибоэлектрическим эффектом и приводит к тому, что один материал заряжается положительно, а другой - отрицательно. Полярности и сила заряда на материал , как только они разделены в зависимости от их относительных позиций в трибоэлектрической серии . Трибоэлектрический эффект является основной причиной статического электричества, наблюдаемого в повседневной жизни и в обычных школьных научных демонстрациях, включающих трение различных материалов друг о друга (например, мех об акриловый стержень). Разделение заряда, вызванное контактом, заставляет ваши волосы встать дыбом и вызывает "статическое прилипание »(например, воздушный шар, тертый о волосы, становится отрицательно заряженным; когда он приближается к стене, заряженный воздушный шар притягивается к положительно заряженным частицам в стене и может« цепляться »за них, как будто подвешенный против силы тяжести) .
Разделение заряда под давлением
Приложенное механическое напряжение вызывает разделение зарядов в определенных типах кристаллов и молекул керамики .
Разделение заряда под действием тепла
Нагревание вызывает разделение зарядов в атомах или молекулах определенных материалов. Все пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими. Атомные или молекулярные свойства реакции на нагревание и давление тесно связаны.
Разделение заряда, вызванное зарядом
Заряженный объект, приближенный к электрически нейтральному объекту, вызывает разделение заряда внутри нейтрального объекта. Заряды одной полярности отталкиваются, а заряды противоположной полярности притягиваются. Поскольку сила из-за взаимодействия электрических зарядов быстро спадает с увеличением расстояния, влияние более близких (противоположных полярностей) зарядов больше, и два объекта ощущают силу притяжения. Эффект наиболее выражен, когда нейтральный объект является электрическим проводником, поскольку заряды более свободно перемещаются. Тщательное заземление части объекта с разделением зарядов может постоянно добавлять или удалять электроны, оставляя объект с глобальным постоянным зарядом. Этот процесс является неотъемлемой частью работыГенератор Ван де Граафа , устройство, обычно используемое для демонстрации эффектов статического электричества.
Удаление и профилактика [ править ]
Удаление или предотвращение накопления статического заряда может быть таким же простым, как открыть окно или использовать увлажнитель для увеличения содержания 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, обеспечивающий равномерное распределение любого избыточного заряда. Смягчители ткани и сушилки для белья, используемые в стиральных машинах и сушилках для одежды, являются примером антистатического агента, используемого для предотвращения и устранения статического электричества . [3]
Многие полупроводниковые приборы, используемые в электронике, особенно чувствительны к статическому разряду. Для защиты таких компонентов обычно используются токопроводящие антистатические пакеты . Люди, работающие в цепях, содержащих эти устройства, часто заземляют себя токопроводящим антистатическим браслетом . [4] [5]
На промышленных предприятиях, таких как заводы по производству красок или муки, а также в больницах, иногда используются антистатические защитные ботинки , чтобы предотвратить накопление статического заряда из-за контакта с полом. Эта обувь имеет подошву с хорошей проводимостью. Не следует путать антистатическую обувь с изолирующей обувью, которая дает прямо противоположное преимущество - некоторую защиту от серьезных ударов электрическим током от сетевого напряжения . [6]
Статический разряд [ править ]
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( сентябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Искра, связанная со статическим электричеством, вызывается электростатическим разрядом или просто статическим разрядом, поскольку избыточный заряд нейтрализуется потоком зарядов от или к окружающей среде.
Ощущение поражения электрическим током возникает из-за раздражения нервов, когда нейтрализующий ток проходит через тело человека. Энергия, накопленная в виде статического электричества на объекте, варьируется в зависимости от размера объекта и его емкости , напряжения, которым он заряжен, и диэлектрической проницаемости окружающей среды. Для моделирования воздействия статического разряда на чувствительные электронные устройства человек представлен в виде конденсатора емкостью 100 пикофарад , заряженного до напряжения от 4000 до 35000 вольт. При прикосновении к объекту эта энергия разряжается менее чем за микросекунду. [7] Хотя общая энергия мала, порядка миллиджоулей, это может повредить чувствительные электронные устройства. Более крупные объекты будут накапливать больше энергии, что может быть непосредственно опасным для контакта с человеком или может вызвать искру, которая может воспламенить горючий газ или пыль.
Молния [ править ]
Молния - яркий естественный пример статического разряда. Хотя детали неясны и остаются предметом споров, считается, что начальное разделение зарядов связано с контактом между частицами льда в грозовых облаках. Как правило, значительное накопление заряда может сохраняться только в областях с низкой электропроводностью (очень мало зарядов свободно перемещается в окружающей среде), поэтому поток нейтрализующих зарядов часто возникает в результате разрыва нейтральных атомов и молекул в воздухе с образованием отдельных положительных и отрицательные заряды, которые движутся в противоположных направлениях как электрический ток, 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. [8]Разряд перегревает окружающий воздух, вызывая яркую вспышку, и производит ударную волну, вызывающую щелкающий звук. Молния - это просто увеличенная версия искр, наблюдаемых в большинстве случаев статического разряда в быту. 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, создаваемой взрывным расширением перегретого воздуха.
Электронные компоненты [ править ]
Многие полупроводниковые устройства, используемые в электронике, очень чувствительны к наличию статического электричества и могут быть повреждены статическим разрядом. Использование антистатического ремешка обязательно для исследователей, манипулирующих наноустройствами. Дополнительные меры предосторожности можно принять, сняв обувь с толстой резиновой подошвой и постоянно оставаясь на металлической поверхности.
Накопление статического электричества в текущих легковоспламеняющихся и горючих материалах [ править ]
Разряд статического электричества может создать серьезную опасность в тех отраслях, которые имеют дело с горючими веществами, где небольшая электрическая искра может воспламенить взрывоопасные смеси. [9]
Текущее движение тонкоизмельченных веществ или жидкостей с низкой проводимостью в трубах или посредством механического перемешивания может привести к накоплению статического электричества. [10] Поток гранул материала, таких как песок, по пластиковому желобу может переносить заряд, который можно легко измерить с помощью мультиметра, подключенного к металлической фольге, покрывающей желоб через определенные промежутки, и может быть примерно пропорционален потоку твердых частиц. [11] Облака пыли из мелкодисперсных веществ могут стать горючими или взрывоопасными. Когда есть статический разряд в облаке пыли или пара, произошли взрывы. Среди крупных промышленных инцидентов: силос для зерна на юго-западе Франции, завод по производству красок в Таиланде, завод по производству стекловолокна.молдинги в Канаде, взрыв бойлера в Glenpool , штат Оклахома в 2003 году, а также переносной операции наполнения бака и нефтебазы в Де - Мойн , штат Айова и Valley Center, Канзас в 2007 году [12] [13] [14]
Способность жидкости сохранять электростатический заряд зависит от ее электропроводности. Когда жидкости с низкой проводимостью протекают по трубопроводам или механически перемешиваются, происходит контактное разделение заряда, называемое электризацией потока . [15] [16] Жидкости с низкой электропроводностью (ниже 50 пикосименс на метр) называются аккумуляторами. Жидкости, имеющие проводимость выше 50 пСм / м, называются неаккумуляционными. В неаккумуляторных батареях заряды рекомбинируют так же быстро, как и разделяются, и, следовательно, накопление электростатического заряда незначительно. В нефтехимической промышленности рекомендуется минимальное значение электропроводности 50 пСм / м 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. [17]
Трансформаторное масло является частью системы электрической изоляции больших силовых трансформаторов и других электрических устройств. Повторное заполнение большого оборудования требует мер предосторожности против электростатического заряда жидкости, который может повредить чувствительную изоляцию трансформатора.
Важным понятием для изоляционных жидкостей является время статической релаксации. Это похоже на постоянную времени τ (тау) в RC-цепи . Для изоляционных материалов это отношение статической диэлектрической проницаемости к электропроводности материала. Для углеводородных жидкостей это иногда приблизительно определяется 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 почти полностью рассеивается по истечении времени релаксации, в четыре-пять раз превышающего время релаксации, или 90 секунд для жидкости в приведенном выше примере.
Образование заряда увеличивается при более высоких скоростях жидкости и большем диаметре трубы, становясь весьма значительным в трубах 8 дюймов (200 мм) или больше. 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) Свод правил по контролю нежелательного статического электричества предписывает пределы скорости потока в трубе. 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 связывание и заземление недостаточно для рассеивания заряда, и могут потребоваться антистатические добавки. [ необходима цитата ]
Заправочные операции [ править ]
Текущее движение горючих жидкостей, таких как бензин, внутри трубы может накапливать статическое электричество. Неполярные жидкости, такие как бензин , толуол , ксилол , дизельное топливо , керосин и легкая сырая нефть, проявляют значительную способность к накоплению заряда и удержанию заряда во время высокоскоростного потока. Электростатические разряды могут воспламенить пары топлива. [18] Когда энергия электростатического разряда достаточно высока, он может воспламенить смесь паров топлива и воздуха. Различные виды топлива имеют разные пределы воспламеняемости и требуют разного уровня энергии электростатического разряда для воспламенения.
Электростатический разряд при заправке бензином представляет серьезную опасность на заправочных станциях . [19] Пожары также возникли в аэропортах при заправке самолетов керосином. Новые технологии заземления, использование токопроводящих материалов и добавление антистатических добавок помогают предотвратить или безопасно рассеять накопление статического электричества.
Одно только проточное движение газов в трубах создает небольшое статическое электричество, если оно вообще есть. [20] Предполагается, что механизм генерации заряда возникает только тогда, когда твердые частицы или капли жидкости переносятся в потоке газа.
В освоении космоса [ править ]
Из-за чрезвычайно низкой влажности во внеземных средах могут накапливаться очень большие статические заряды, что создает серьезную опасность для сложной электроники, используемой в космических аппаратах. Статическое электричество , как полагают, особую опасность для космонавтов на запланированные полеты на Луну и Марс . Прогулка по чрезвычайно сухой местности может привести к накоплению значительного количества заряда; протягивание руки, чтобы открыть воздушный шлюз по возвращении, может вызвать сильный статический разряд, потенциально повреждающий чувствительную электронику. [21]
Растрескивание озона [ править ]
Статический разряд в присутствии воздуха или кислорода может создавать озон . Озон может разрушить резиновые детали. Многие эластомеры чувствительны к растрескиванию под озоном . Воздействие озона приводит к образованию глубоких проникающих трещин в таких важных компонентах, как прокладки и уплотнительные кольца . Топливопроводы также подвержены проблеме, если не будут приняты профилактические меры. Профилактические меры включают добавление в резиновую смесь антиозонантов или использование озоностойкого эластомера. Пожары из-за треснувших топливопроводов были проблемой для транспортных средств, особенно в моторных отсеках, где электрооборудование может вырабатывать озон.
Вовлеченные энергии [ править ]
Энергия, выделяемая при разряде статического электричества, может изменяться в широком диапазоне. Энергию в джоулях можно рассчитать, исходя из емкости ( C ) объекта и статического потенциала V в вольтах (В) по формуле E = ½ CV 2 . [22] Один экспериментатор оценил емкость человеческого тела в 400 пикофарад и разряд в 50 000 вольт, разряженный, например, при прикосновении к заряженному автомобилю, создающий искру с энергией 500 миллиджоулей. [23] Другая оценка составляет 100–300 пФ и 20 000 вольт, что дает максимальную энергию 60 мДж. [24] IEC 479-2: 1987 заявляет, что разряд с энергией более 5000 мДж представляет прямую серьезную опасность для здоровья человека. В стандарте IEC 60065 указано, что потребительские товары не могут разрядить 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 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 20 футов (6 м) по виниловому полу при относительной влажности 15% вызывает повышение напряжения до 12 кВ, в то время как при влажности 80% напряжение составляет всего 1,5 кВ. [25]
Даже 0,2 миллиджоулей могут представлять опасность возгорания; такая низкая энергия искры часто ниже порога зрительного и слухового восприятия человека.
Типичные значения энергии воспламенения:
- 0,017 мДж для водорода ,
- 0,2–2 мДж для паров углеводородов ,
- 1–50 мДж для мелкой легковоспламеняющейся пыли,
- 40–1000 мДж для крупной легковоспламеняющейся пыли.
Энергия, необходимая для повреждения большинства электронных устройств [ укажите ], составляет от 2 до 1000 наноджоулей. [26]
Относительно небольшая энергия, часто всего 0,2–2 миллиджоуля, требуется для воспламенения горючей смеси топлива и воздуха. Для обычных промышленных углеводородных газов и растворителей минимальная энергия воспламенения, необходимая для воспламенения паровоздушной смеси, является самой низкой для концентрации пара примерно посередине между нижним пределом взрываемости и верхним пределом взрываемости и быстро увеличивается, когда концентрация отклоняется от этот оптимум в обе стороны. Аэрозоли легковоспламеняющихся жидкостей могут воспламениться значительно ниже их температуры вспышки.. Как правило, жидкие аэрозоли с размером частиц менее 10 микрометров ведут себя как пары, частицы размером более 40 микрометров ведут себя больше как легковоспламеняющаяся пыль. Типичные минимальные воспламеняющиеся концентрации аэрозолей составляют от 15 до 50 г / м 3 . Точно так же наличие пены на поверхности легковоспламеняющейся жидкости значительно увеличивает воспламеняемость. Аэрозоль горючей пыли также может воспламениться, что приведет к взрыву пыли ; нижний предел взрываемости обычно составляет от 50 до 1000 г / м 3.; Более мелкая пыль имеет тенденцию быть более взрывоопасной и требует меньше энергии искры для зажигания. Одновременное присутствие легковоспламеняющихся паров и легковоспламеняющейся пыли может значительно снизить энергию воспламенения; всего 1 об.% пропана в воздухе может снизить требуемую энергию воспламенения пыли в 100 раз. Содержание кислорода в атмосфере выше нормы также значительно снижает энергию воспламенения. [27]
Существует пять типов электрических разрядов :
- Искра , ответственная за большинство промышленных пожаров и взрывов, связанных со статическим электричеством. Искры возникают между объектами с разными электрическими потенциалами. В качестве профилактических мер используются хорошее заземление всех частей оборудования и меры предосторожности против накопления заряда на оборудовании и персонале.
- Щеточный разряд происходит от непроводящей заряженной поверхности или сильно заряженных непроводящих жидкостей. Энергия ограничена примерно 4 миллиджоулями. Чтобы быть опасным, задействованное напряжение должно быть выше примерно 20 киловольт, полярность поверхности должна быть отрицательной, в точке разряда должна присутствовать воспламеняющаяся атмосфера, а энергия разряда должна быть достаточной для воспламенения. Кроме того, поскольку поверхности имеют максимальную плотность заряда,должна быть задействованаплощадь не менее 100 см 2 . Это не считается опасностью для пылевых облаков.
- Распространение кистевого разряда высокоэнергетично и опасно. Возникает, когда изоляционная поверхность толщиной до 8 мм (например, тефлоновая или стеклянная облицовка заземленной металлической трубы или реактора) подвергается накоплению большого заряда между противоположными поверхностями, действуя как конденсатор большой площади.
- Конусный разряд , также называемый разрядом с объемной щеткой , происходит над поверхностями заряженных порошков с сопротивлением выше 10 10 Ом или также глубоко в массе порошка. Конусные выбросы обычно не наблюдаются в объемах пыли менее 1 м 3 . Затрачиваемая энергия зависит от размера зерна порошка и величины заряда и может достигать 20 мДж. Большие объемы пыли производят более высокую энергию.
- Коронный разряд считается неопасным.
См. Также [ править ]
- Электрический заряд
- Электростатический разряд
- Электростатический генератор
- Электростатика
- Трибоэлектрификация
- Генератор Ван де Граафа
- Машина Вимшерста
Ссылки [ править ]
- ^ Dhogal (1986). Основы электротехники, Том 1 . Тата МакГроу-Хилл. п. 41. ISBN 978-0-07-451586-0.
- ^ «Ионизаторы и статические элиминаторы» . GlobalSpec. 2009. Архивировано из оригинала на 2009-02-10 . Проверено 13 апреля 2009 .
- ^ «Кондиционер для белья и статика» . Спросите ученого, Общий научный архив . Министерство энергетики США. 2003 . Проверено 13 апреля 2009 .
- ^ Антистатические пакеты для деталей . PC Chop Shop . Джон Вили и сыновья. 2004. ISBN. 978-0-7821-4360-7. Проверено 13 апреля 2009 .
- ^ Антистатический ремешок на запястье . PC Chop Shop . Джон Вили и сыновья. 2004. ISBN. 978-0-7821-4360-7. Проверено 13 апреля 2009 .
- ^ «Сейфы: защитная обувь» . Сейфы . Троянские инструменты. 2004 . Проверено 13 апреля 2009 .
- ^ Карлос Эрнандо Диас, Сунг-Мо Канг, Чарвака Дуввури, Моделирование электрического перенапряжения в интегральных схемах Springer, 1995 ISBN 0-7923-9505-0 стр. 5
- ^ JJ Lowke (1992). «Теория электрического пробоя в воздухе». Журнал физики D: Прикладная физика . 25 (2): 202–210. Bibcode : 1992JPhD ... 25..202L . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 25/2/012 .
- ^ Кассебаум, JH & Kocken, RA (1995). «Контроль статического электричества в опасных (классифицированных) местах». Нефтяная и химическая промышленность Доклады 42-й ежегодной конференции : 105–113. DOI : 10.1109 / PCICON.1995.523945 . ISBN 0-7803-2909-0. S2CID 110221915 .
- ^ Вагнер, Джон П .; Clavijo, Fernando Rangel Возникновение электростатического заряда во время перемешивания в крыльчатке отработанного трансформаторного масла. 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
- ^ Дауни, Нил А., взрывающаяся Disk Пушки, Slimemobiles и 32 Другие проекты в субботу науки (Johns Hopkins University Press (2006), ISBN 978-0-8018-8506-8 , глава 33, стр 259-266 "Electric Sand"
- ^ Хирн, Грэм (1998). «Статическое электричество: проблема фармацевтической отрасли?». Фармацевтическая наука и технологии сегодня . 1 (7): 286–287. DOI : 10.1016 / S1461-5347 (98) 00078-9 .
- ^ Резервуарный Взрыв и пожар в Glenpool, Оклахома 7 апреля 2003 Национальный совет по безопасности на транспорте
- ^ Статическая искра воспламеняет легковоспламеняющуюся жидкость во время наполнения переносного резервуара. Архивировано 17января 2009 г. на Совете по химической безопасности Wayback Machine 29 октября 2007 г.
- ↑ Егоров, В.Н. (1970). «Электрификация нефтяного топлива» (PDF) . Химия и Технология Топлив и Масел . 4 : 20–25. [ мертвая ссылка ]
- ^ Тушар, Gérard (2001). «Электрификация потока жидкостей». Журнал электростатики . 51–52: 440–447. DOI : 10.1016 / S0304-3886 (01) 00081-X .
- ^ Технический обзор Chevron Corporation Aviation Fuels Архивировано 19марта 2009 г.на Wayback Machine 2006, по состоянию на декабрь 2008 г.
- ^ Хирн, Грэхэм Статическое электричество - руководство для инженеров завода - Электростатический университет Вольфсона Саутгемптона 2002; по состоянию на декабрь 2008 г.
- ^ "CarCare - Auto Clinic" Popular Mechanics , апрель 2003 г., стр. 163.
- ^ Кинцинг, Г.Е., «Электростатические эффекты в пневматическом транспорте: оценка, величины и будущее направление», Journal Pipelines, 4, 95–102, 1984
- ^ «НАСА - трескучие планеты» . Проверено 23 февраля 2021 .
- ^ Номограммы для оценки риска емкостного электростатического разряда . Ece.rochester.edu. Проверено 8 февраля 2010.
- ^ "Безопасность высокого напряжения: электростатический генератор VandeGraaff" . amasci.com . Проверено 27 января 2010 .
- ^ Индекс . Wolfsonelectrostatics.com. Проверено 17 марта 2011.
- ^ М. А. Келли, Г. Е. Серве, Т. В. Пфаффенбах Исследование электростатического разряда человеческого тела , ISTFA '93: 19-й Международный симпозиум по тестированию и анализу отказов, Лос-Анджелес, Калифорния, США / 15–19 ноября 1993 г.
- ^ «Условия ESD» . eed.gsfc.nasa.gov . Проверено 27 января 2010 .
- ^ Руководство по статическому электричеству для инженеров завода . Грэм Хирн - Wolfson Electrostatics, Саутгемптонский университет.
Внешние ссылки [ править ]
- СМИ, связанные со статическим электричеством на Викискладе?
- Словарное определение статического электричества в Викисловаре
