Теория Электростатики

Что такое статическое электричество?

Статическое электричество возникает в случае нарушения внутриатомного или внутримолекулярного равновесия вследствие приобретения или потери электрона. Обычно атом находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных частиц – протонов и электронов. Электроны могут легко перемещаются от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Когда происходит такой дисбаланс, возникает статическое электричество.

Статическое электричество образуется в результате нарушения внутриатомного или внутримолекулярного баланса вследствие получения или потери электрона.

В большинстве случаев атом находится в равновесном состоянии, благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных частиц – протонов и электронов.

Электроны могут легко перемещаться от атома к атому. В результате такого перемещения они формируют положительные или отрицательные ионы. Если происходит такой дисбаланс,  то возникает статическое электричество.

Электрический заряд электрона составляет -1,6 х 10-19 Кулон. Протон имеет ту же величину заряда, но обладает положительной полярностью. Электростатический заряд как раз является суммарной величиной дисбаланса зарядов, т.е. числу неустойчивых ионов.

электростатика

Когда появляется статическое электричество?

Самые распространенные причины возникновения статического электричества:

  1. Контакт между двумя поверхностями материалов и их отделение друг от друга (трение скольжение, трение качения и пр.).
  2. Быстрый  перепад температуры(в частности:  при помещении материала в духовой шкаф).
  3. Радиация, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, сильные электрические поля (нерядовые для промышленных производств).
  4. Операции по изменению структуры материала(например, резка на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).

Поверхностный контакт и разделение материалов, возможно, являются наиболее распространенными причинами образования статического электричества на производствах, связанных с обработкой рулонных полиэтиленовых пленок и рулонных и листовых пластиков. Заряды генерируется в процессе разматывания или наматывания материалов, трения поверхностей материалов при перемещения друг относительно друга. В данном случае процесс возникновения электростатических зарядов не вполне очевиден, но наиболее наглядно его объяснение на примере сравнения с обкладками плоского конденсатора, в котором механическая энергия при увеличении расстояния между пластинами пластин преобразуется в электрическую.

образование статического заряда

Когда синтетическая пленка касается подающего и приемного вала, то невысокий заряд, перетекающий от материала к валу, провоцирует дисбаланс. По мере того, как материал преодолевает зону контакта с валом, напряжение возрастает точно также как и в случае с пластинами конденсатора, в момент их разделения. На практике амплитуда возникающего напряжения ограничена из-за электрического пробоя, возникающего в промежутке между соседними материалами. В этом случае, на ыходе пленки из контактной зоны часто можно слышать потрескивание или даже наблюдать искрение. Это происходит в момент, когда статический заряд достигает величины, достаточной для пробоя окружающего воздуха. До контакта с валом синтетическая пленка с точки зрения электричества нейтральна, но в процессе перемещения и контакта с подающими поверхностями поток электронов направляется на пленку и заряжает ее отрицательным зарядом. Если вал металлический, и заземлен, то его положительный заряд быстро стекает.

Большая часть технологического и производственного оборудования имеет много валов и движущихся частей, поэтому величина заряда и его полярность могут часто изменяться в процессе движения внутри одной машины. Наилучший способ контроля статического заряда – это его точное определение на участке непосредственно перед проблемной областью. Если заряд нейтрализован слишком рано, он может образоваться опять, до того, как пленка достигнет этой проблемной зоны.

Измерение статического заряда

Измерение величины статического заряда является очень полезной процедурой, которая позволяет обнаружить наличие заряда, определить его величину и найти его источник.

Как отмечалось выше, статическое электричество возникает при дефиците или избытке электронов в атоме. Вследствие того, что измерить величину заряда на поверхности объекта в кулонах невозможно, в данном случае измеряют сопротивление и напряженность электрического поля образовавшегося являющегося следствием наличия элесктростатического заряда. Этот способ измерения широко применяется в промышленности.
Зависимость между сопротивлением поля и напряженностью заключается в том, что в любой точке сопротивление является составляющей градиента напряженности.
Измерительные приборы обычно просты в использовании и очень полезны для анализа возникших проблем или прогноза их появления в будущем.

Наиболее важными для измерения заряда характеристиками электрического поля являются:

  • Электрическое поле – участок пространства, на котором действуют электрические силы.
  • Все заряженные объекты окружены электрическим полем.
  • Электрическое поле может охватывать несколько объектов, что важно учитывать при проведении измерений и осуществлении мероприятий по нейтрализации статического заряда.

В случае с производством и обработкой синтетической пленки следует иметь ввиду важную деталь: когда материал перемещается по валу, электрический заряд переходит к валу и кажется, что поле исчезло. Поэтому вблизи вала невозможно произвести точные измерения. Электрическое поле проявляется вновь, когда материал преодолевает зону контакта и статический заряд можно снова измерить точно.

Проблемы, вызываемые статическим электричеством

Все негативные последствия, вызываемые влиянием статического электричества можно подразделить на четыре области:

Статический разряд в электронных схемах

Этой проблеме нельзя не уделить внимание, т.к. она часто возникает в процессе обращения с электронными блоками и компонентами, использующимися в современных контрольно-измерительных устройствах.

В электронике основная опасность, связанная со статическим зарядом, исходит от человека, несущего заряд. Ток электростатического разряда порождает тепло, которое приводит к выжиганию соединений внутри электронных компонентов и нарушению контактов. Высокое напряжение уничтожает также оксидную пленку в полевых транзисторах и других элементах, имеющих покрытие.

Часто электронные компоненты не полностью выходят из строя, что можно считать еще более опасным, т.к. очевидная неисправность проявляется не сразу, а в непредсказуемый момент в процессе эксплуатации устройства.
Общее правило: при работе с чувствительными к статическому электричеству деталями и устройствами необходимо всегда принимать меры для нейтрализации заряда, накопленного на теле человека.

Электростатическое притяжение и отталкивание

Это, наверное, самая распространенная проблема, возникающая на предприятиях, связанных с производством и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Влияние электростатических зарядов здесь проявляется в том, что материалы самостоятельно меняют свое поведение – склеиваются между собой или, наоборот, отталкиваются, прилипают к оборудованию, притягивают пыль, неправильно наматываются на приемное устройство и пр.

Интенсивность проявления этого эффекта напрямую связана с величиной статического заряда и расстоянием между притягивающимися или отталкивающимися объектами. Притяжение и отталкивание происходят в направлении силовых линий электрического поля.

Если два заряда имеют одинаковую полярность – они отталкиваются, если противоположную – притягиваются. Если один из объектов заряжен каким либо зарядом, неважно какой полярности, то он будет провоцировать притягивание, создавая противоположную копию заряда на нейтральных объектах.

Риск возникновения пожара

Риск возникновения пожара не является общей проблемой для всех областей производств. Опасность возгорания гораздо выше на полиграфических и других предприятиях, где используются быстроиспаряющиеся и легковоспламеняющиеся растворители.
В опасных зонах распространенными источниками возгорания могут быть: незаземленное оборудование и подвижные проводники. Если персонал, находящийся в непосредственной близости, одет в  спортивную обувь или туфли на токонепроводящей подошве, то существует риск, что его тело будет накапливать заряд, способный спровоцировать возгорание растворителей. Незаземленные проводящие детали машин также представляют в данном случае большую опасность. Все механизмы машин, находящиеся в опасной зоне должно быть хорошо заземлено. А персонал должен быть одет в соответствующую одежду и обувь.
Способность разряда провоцировать возгорание зависит от нескольких факторов:

  • типа разряда;
  • мощности разряда;
  • источника разряда;
  • энергии разряда;
  • наличия легковоспламеняющейся среды (растворителей в газовой фазе, пыли или горючих жидкостей);
  • минимальной энергии воспламенения легковоспламеняющейся среды.

Какие существуют типы разрядов согласно теории Элекростатики:

Существует три основных типа – искровой, кистевой и скользящий кистевой разряды. Коронный разряд в данном случае во внимание не принимается, т. к. он отличается невысокой энергией и происходит достаточно медленно. Коронный разряд чаще всего неопасен, его следует учитывать только в зонах очень высокой пожаро- и взрывоопасности.

Искровой разряд

В основном он исходит от умеренно проводящего, электрически изолированного объекта. Это может быть тело человека, деталь машины или инструмент. Предполагается, что вся энергия заряда рассеивается в момент искрения. Если энергия воспламенения выше паров растворителя, может произойти возгорание.

Кистевой разряд

Кистевой разряд возникает, когда заостренные части деталей оборудования концентрируют заряд на поверхностях диэлектрических материалов, изоляционные свойства которых приводят к его накоплению. Кистевой разряд отличается более низкой энергией по сравнению с искровым и, соответственно, представляет меньшую опасность в отношении воспламенения.

Скользящий кистевой разряд

Скользящий кистевой разряд происходит на листовых или рулонных синтетических материалах с высоким удельным сопротивлением, имеющих повышенную плотность заряда и разную полярность зарядов с каждой стороны полотна. Такое явление может быть спровоцировано трением или распылением порошкового покрытия. Эффект сравним с разрядкой плоского конденсатора и может представлять такую же опасность, как искровой разряд.

Поражение токовым разрядом

В последнее время данному фактору уделяется все большее. Это связано с повышением требований к технике безопасности труда.
Электропоражение, спровоцированное статическим электричеством, в принципе не представляет особой опасности. Оно просто неприятно и часто вызывает  резкую реакцию, которая в свою очередь может являться причиной более серьезной травмы. Короткий шок от поражения разрядом часто вызывает непроизвольные сокращения мышц,  при этом оператор производственной техники может пострадать от движущихся частей деталей машин, вблизи которых он находится.

Lemax
Заражение оператора оборудования

Существуют две общие причины статического удара:

  1. Наведенный заряд

    Если человек находится в электрическом поле и держится за заряженный объект, например, за намоточную бобину для пленки, возможно, что его тело зарядится.
    Заряд остается в теле оператора, если он находится в обуви на токонепроводящей подошве, до того момента, пока он не дотронется до заземленного объекта. Заряд стекает на землю и поражает человека. Такое происходит и в случае, когда оператор дотрагивается до заряженных объектов или материалов – из-за изолирующей обуви заряд накапливается в теле.

  2. Электропоражение, спровоцированное оборудованием
    Такой электроудар возможен, хотя происходит значительно реже, чем поражение, спровоцированное материалом.
    Если намоточная бобина имеет существенный заряд, случается, что пальцы оператора концентрируют заряд до такой степени, что он достигает точки пробоя и происходит разряд. Помимо этого, если металлический незаземленный объект находится в электрическом поле, он может зарядиться наведенным зарядом. По причине того, что металлический объект является токопроводящим, подвижный заряд разрядится в человека, который дотрагивается до объекта.

Меню