Какое напряжение у статического электричества. Виды статического электричества

Феномен статического электричества известен давно, и каждый из нас сталкивается с проявлениями его почти ежедневно. При одевании или снимании одежды из синтетического материала, контакте с экраном телевизора или компьютера зачастую возникает ощутимый электрический разряд. В современном мире эффект статического электричества получил широкое практическое применение (печатные и копировальные аппараты, окраска). Однако разряд статического электричества может привести и к трагическим последствиям.

Впервые возможности статического электричества вызывать возникновение взрыва и пожара были обнаружены в 1893 г. американцем Рихтером, который пытался улучшить процесс сухой химчистки одежды и попробовал ввести порошок магнезии в бензол, используемый в процессе чистки, для увеличения его токопроводности.

В топливной и химической индустрии проблему возникновения зарядов статического электричества начали глубоко изучать В начале 30-х гг., после нескольких взрывов на заводах компании SHELL. На морском же транспорте изучением этой проблемы занялись несколько позже, в середине 60-х гг., опять же после серии взрывов на танкерах, которые перевозили сырую нефть. Были проведены фундаментальные исследования в области возникновения зарядов статического электричества на танкерах при различных технологических операциях и определены международные требования по предотвращению образования электростатических разрядов.

Рассмотрим природу образования электростатического заряда.

Причины возникновения зарядов статического электричества. Существует три этапа, последовательно приводящих к возникновению опасности воспламенения горючих смесей при воздействии статического электричества, а именно:

Разделение заряда;

Накопление заряда;

Разряд статического электричества.

Известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы - электроны. Сумма всех отрицательных зарядов в теле по абсолютному значению равна сумме всех положительных зарядов в нем, поэтому в целом тело электрически нейтрально и не имеет заряда.

Электроны, находящиеся на периферийных орбитах атома, могут сравнительно легко покидать свое место и переходить на орбиты атомов другого тела или вещества. Тот атом, который потеряет электроны, будет испытывать их недостаток и получит положительный заряд. Атом-же, на орбиты которого перейдет оторвавшийся электрон, будет иметь избыток электронов, а заряд его станет отрицательным. Иначе говоря, при перемещении электронов с орбиты одного атома на орбиту другого происходит перераспределение зарядов, и при этом один атом получает положительный заряд, а другой отрицательный. Такие заряженные атомы называются ионами.

При электризации тел заряды не создаются, а только разделяются: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Например, при трении эбонитовой палочки о шерсть, эбонит получает отрицательный заряд, а шерсть заряжается положительно.

Перетекшие электронов происходит только в случае взаимодействия атомов с различной плотностью электронов.

Всякий раз, когда в контакт входят два неоднородных материала, на поверхности, разделяющей эти материалы, происходит разделение заряда. Эта поверхность может разделять два твердых тела, твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости. На поверхности раздела заряд одного знака, например положительного, перемещается от материала А к материалу В таким образом, что эти материалы становятся соответственно положительно и отрицательно заряженными. Пока материалы А и В неподвижны и контактируют друг с другом, заряды находятся чрезвычайно близко друг к другу. В таком случае незначительная разность потенциалов между зарядами противоположного знака не представляет какой-либо угрозы.

Интенсивное разделение зарядов происходит в результате таких действий, как:

Прохождение потока жидкости через трубы или мелкоячеистые фильтры,

Осаждение частиц твердого тела или несмешивающейся жидкости через другую жидкость,

Выброс мелких капель или частиц из сопла,

Всплескивание или взбалтывание жидкости при ее соприкосновении с твердой поверхностью,

Сильное трение друг о друга некоторых материалов.

Когда заряды разъединяются, между ними образуется большая разность потенциалов. При этом в окружающем пространстве также происходит распределение разности потенциалов, иначе говоря, формируется электрическое поле (т. е. во время мойки танка при распылении жидкости электростатическое поле возникает во всем объеме танка).

Если в электростатическое поле поместить незаряженный проводник, то он получит примерно такой же потенциал, как и поле, в котором он находится. Более того, поле приводит в движение заряды внутри проводника, заряд одного знака притягивается полем к одному концу проводника, на другом же конце проводника формируется равный по величине заряд противоположного знака. Заряды, разделенные таким образом, называются индуцированными, они накапливаются в электростатическом поле.

Заряд может возникать и там, где не происходит непосредственного контакта между заряженными телами, а также при воздействии на материал другого заряженного тела, что вызывает формирование положительных и отрицательных ионов. Например, при прохождении грозового облака над высоким зданием или судном, в последних формируются положительные и отрицательные ионы, хотя непосредственного контакта между материалами или зарядами не было. Это приводит к тому, что одно и то же вещество или тело может нести противоположные заряды.

Вокруг заряженного тела происходит формирование электрического поля, своего рода отображение пространства вокруг заряженного тела. В двух противоположных точках электрического поля определяется разность потенциалов в вольтах. Напряженность электрвстатнческвге пвля впределяется в вольтах на метр (В/м).

В однородном электрическом поле напряженность поля определяется как разность потенциала на метр. Величина напряженности поля определяет возможность возникновения разряда. В сухом воздухе искровой электрический разряд может произойти при величине напряженности электрического поля около 3 000 000 В/м. Однако если поместить в поле заземленный проводник, то даже при слабой напряженности поля можно получить значительный электрический разряд.

Накопление заряда. Ранее разделенные заряды стремятся вновь соединиться между собой и нейтрализовать друг друга. Этот процесс известен как релаксация заряда. Если один из материалов или оба эти материала, несущие электростатический заряд, обладают низкой токопроводностыо, то повторное соединение зарядов затруднено и данный материал аккумулирует (накапливает) заряд на себе.

Время, в течение которого сохраняется заряд, характеризуется временем релаксации

данного материала, которое соотносится с его токопроводностью. Чем меньше токопроводность

материала, тем больше период релаксации заряда.

Если же проводимость материала высока, то заряды соединяются очень быстро, тем самым препятствуя процессу их разъединения, в результате чего происходит очень незначительное аккумулирование заряда или же он не аккумулируется совсем. Материал с такой проводимостью может сохранять или аккумулировать заряд только в том случае, если он окружен диэлектриком. При этом скорость потери им заряда будет зависеть от времени релаксации диэлектрика.

Можно сказать, что наиболее важным фактором, определяющим время релаксации материала, является его электропроводность.

Все материалы по степени их токопроводиости условно можно разделить на три основные группы.

Первая группа - проводники. К твердым проводникам относится большинство металлов, а к жидким - целый диапазон водных растворов солей, включая морскую воду. Человеческое тело, более чем на 60% состоящее из воды, также является проводником электрического тока. К важным свойствам жидких проводников относится не только их неспособность удерживать электрический заряд, если они не изолированы, но и почти мгновенное разряжение, если они изолированы и существует возможность электрического разряда. Иными словами, полученный заряд распространяется равномерно по всему материалу, а при соприкосновении с заземлением мгновенно исчезает.

Очень часто разряды между двумя проводниками происходят в виде искры, в таком случае они гораздо опаснее, чем разряды, возникающие между проводником и диэлектриком. При релаксации заряда между проводником и диэлектриком возникают не искровые, а коронные или кистевые разряды.

Вторая группа - диэлектрики или изоляторы. Если заряд возникает только в месте соприкосновения или разъединения материалов, то такие материалы называются диэлектриками.

Заряженные диэлектрики доставляют заряд в место, где может произойти непосредственный контакт заряда с проводником. Сильно заряженные диэлектрики могут непосредственно инициировать воспламеняющие искры. Жидкости рассматриваются как диэлектрики, если их проводимость менее 50 пикоСименсов на метр (пСм/м) с периодом релаксации не более 0,35 с. Такие жидкости зачастую называют аккумулирующими статическое электричество. К ним относятся чистые нефти и чистые нефтепродукты (дистилляты), сжиженные газы.

Третья группа представляет собой ряд жидкостей и твердых материалов с промежуточной токопроводностью. Яркий пример - темные нефти, сырые нефти, спирты, ацетон и др.

Когда напряженность электрического поля достигаетопределенной величины, может произойти разряд поля, который имеет различные формы. Для воспламенения паровоздушной смеси необходимо, чтобы электростатический разряд был достаточно мощным. Было установлено, что для воспламенения паровоздушной смеси пропана достаточно, чтобы между электродами произошел разряд с выделением энергии в 0,2 мДж, а для воспламенения паровоздушной смеси аммиака потребуется разряд в 600 раз мощнее.

Существуют следующие формы электростатических разрядов.

Корона - ионное излучение голубоватого цвета. Его можно увидеть на острых углах или вантах при некоторых погодных условиях. Это сияние известно под названием «Огни Святого Эльма». Такое излучение не несет в себе достаточно энергии для возникновения пламени.

Северное, или полярное, сияние - это слабые лучи, сформированные из очень маленьких искр, испускаемых заряженными острыми углами или выступами конструкций в направлении заряженных облаков или тумана. Такое свечение может возникнуть в танках супертанкеров, оно также не несет в себе достаточной энергии для возникновения пламени.

Искра возникает только в том случае, если напряженность электрического поля достигает некоторой критической величины. Ионный луч увеличивается с повышением напряженности поля, и конечный результат такого увеличения - возникновение настоящей искры. При большой напряженности поля образуется разряд, более известный как молния. Однако если мы поместим в электрическое поле заземленный проводник, то возникнет искровой разряд, достаточный для воспламенения смеси даже при малых величинах напряженности поля.

Люди постоянно сталкиваются со статическим электричеством, точнее с его проявлениями (в своей квартире, в автомобиле, на производстве и т.д.). Однако не многие из нас всерьез задумывались о природе его возникновения, физических свойствах, характеристиках, средствах защиты от статического электричества. Настоящая статья посвящена поиску ответов на перечисленные вопросы.

Что такое статическое электричество

Для молекулы или атома любого вещества нормальным является равновесное состояние, т.е. число положительных (протонов) и отрицательных (электронов) частиц в атоме одинаково. Но электроны вещества могут легко (у разных материалов по разному) перемещаться от одного атома к другому, тем самым формируя положительный (недостающий электрон) или отрицательный (избыточные электрон) заряд атома. Именно такой дисбаланс в атомах и молекулах формирует статическое электрополе. Такие поля нестабильны и при первой же возможности разряжаются.

ГОСТ 17.1.018-79 “Статическое электричество. Искробезопастность» трактует термин «статическое электричество» как способность свободных электрических зарядов возникать, сохраняться и релаксировать в объеме и на поверхности полупроводников и диэлектриков.
Обязательным «спутником» статического поля является сухой воздух. При влажности выше 80% такие поля практически никогда не формируют т.к. вода является отличным проводником и не позволяет избыточному электричеству накапливаться на поверхности материалов.

Источники возникновения статического поля и причины его генерирования

Все мы помним со школьного курса физики опыт с эбонитовым стержнем, или пластмассовой расческой и куском шерстяной ткани. После натирания стержня тканью он был способен притягивать к себе мелко нарезанные кусочки бумаги.

Трение двух поверхностей является самым распространенным источников возникновения статического поля. Необязательно тереть два материала друг о друга. Статическое поле может возникнуть при одиночном контакте, к примеру, в случае наматывания/разматывания тканевой ленты.

Также источниками генерирования статического поля могут служить:

Резкие температурные перепады;
Высокий уровень радиации.

Статическое поле может быть «самоприобретенным» и «наведенным», т.е. полученным от другого сильно наэлектризованного объекта без непосредственного контакта с ним. Такой метод «принудительной электризации» называют индукцией.

Всем нам хорошо известен электрический треск при снятии верхней одежды или «электрический удар» от кузова автомобиля. Мы наблюдаем и нередко испытываем на себе действие статических разрядов при расчесывании волос, нарезании бумаги, переливании бензина и т.д.

Обязательным условием для генерирования статического электрополя является наличие магнитных полей. Таким образом, следует констатировать, что свободные заряды окружают нас постоянно. Но человеку этого мало и он активно использует в своей повседневной жизни и работе огромное количество различных электрических устройств, тем самым только увеличивая общую «электрическую напряженность» среды обитания.

Сфера использования

Электростатические приборы и устройства, принцип действия которых основывался на трении, так и не смогли покинуть лабораторных полок и учебных, где они, преимущественно, используются в качестве демонстрационного материала.

Попытки использовать статические поля для генерации электрического тока тоже не принесло особых успехов. Генераторы Ван Дер Граафа и Феличи, которые были созданы в 30-ом и 40-ом году прошлого столетия, тоже не нашли себе широкого применения, т.к. это оборудование было достаточно громоздко.

К тому же их функционирование и техническое обслуживание обходилось очень дорого.

Очень полезным с точки зрения промышленного применения, оказалось открытие коронного разряда, который широко применяется в различных областях промышленности. В частности, с его помощью, можно очищать газы от различных примесей и наносить краску на поверхность любой конфигурации.

Проблемы, связанные со статическим электричеством

Значительно большее внимание сегодня уделяется проблемам, которые являются прямым следствием накопленного электростатического напряжения. Электроудары различной мощности могут поражать человека, как в домашних условиях, так и на работе.

К примеру, свитер из синтетической ткани, в результате трения со спинкой кресла или с материалом верхней одежды, способен накапливать разряд, который «даст о себе знать» при его снимании. Гораздо мощнее бьет при прикосновения к кузову автомобиля, который наэлектризовался от трения об воздух.

Любой электрический прибор, будь то кухонный комбайн, ноутбук, монитор компьютера или пылесос, обязательно несет в себе электростатический заряд, который «охотно» переходит в человека при контакте. Такой «переход» может вызывать, а может и не вызывать болезненные ощущения, но он однозначно вреден для человеческого организма.

Ученые давно доказали, что воздействие энергии статического электричества представляет опасность для здоровья человека, в частности для сердечно-сосудистой и центральной нервной системы.

Защита

В упоминаемом ранее, ГОСТе детально рассматриваются способы защиты от влияния статических полей, самым простым из которых является надежное заземление оборудования.

Что можно сделать защиты от статических полей помещений частного дома и промышленных помещений?

Видео: как избавиться от статического электричества.
https://www.youtube.com/watch?v=ls-hBlqJu9Y

Для защиты людей и высокоточного оборудования от воздействия статического электричества на производстве используют специальные экраны и другие электромеханические приспособления. Для подавления электризации в жидких полимерах применяют специальные присадки и растворители. Широко используются в качестве для защиты от статического электричества в быту и на производстве различные антистатики.

Это химические вещества, имеющие низкую молекулярную массу, что позволяет их молекулам легко перемещаться и, в дополнение к этому, вступать реакцию с атмосферной влагой. Совокупность этих характеристик позволяет им рассеивать очаги возникновения статических полей и снимать статистическое напряжение с человека.

Дата публикации: 29.01.2016

В нашей жизни мы каждый день сталкиваемся с действием статического электричества. Иногда это нас раздражает, кого-то даже пугает, кто-то не обращаем внимания на подобные вещи. Но всегда лучше знать, что нас окружает и как избежать незанчительных, но всегда неприятный последствий действия статического электричества. В этом совете ма как раз и расскажем вам об этом.

По теории все вещества в своём составе имеют атомы. В атоме одинаковое число протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, то есть имеют противоположную полярность и взаимно притягиваются. Атом находится в равновесии. Но электроны могут перемещаться, тогда образуются положительные и отрицательные ионы. Ионы сами не перемещаются. Когда их заряд увеличивается или уменьшается, возникает дисбаланс, то есть статическое электричество. Статический заряд может быть положительным или отрицательным. Заряды с одинаковой полярностью отталкиваются, с противоположной притягиваются.

По способности проводить заряды вещества условно делят на проводники, полупроводники и диэлектрики. Статические заряды возникают на поверхности твёрдых материалов и жидкостей при больших скоростях вращения, движения, при дроблении, при контактах и разъёме между соприкасающимися материалами, при быстром увеличении температуры, при высоком ультрафиолетовом или рентген излучении, высокой радиации, при индукции в сильном электрическом поле, при низкой влажности воздуха. При влажности воздуха ниже 50% диэлектрические материалы сильнее электризуются, при влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает, так как воздух становится электропроводным.

В нашей жизни мы каждый день сталкиваемся с действием статического электричества. Мы никогда не сможем отказаться на работе и в быту от современного оборудования, приборов, машин, тканей, жидкостей, поэтому всегда будем сталкиваться с действием статического электричества.

В промышленных производствах при работе с листовыми пластиками (их соединение и разъединение), в текстильной и бумажной промышленности (сматывание и разматывание рулонов ткани и бумаги) всегда наблюдаются явления электризации. В мукомольной промышленности, в производстве сахара, в колбасном производстве (при измельчении, фильтровании, просеивании, пересыпании веществ) возникает статическое электричество. Статическое электричество возникает и в нефтепереработке, на спиртзаводах при переливании и перекачке жидкостей. Со статическим электричеством встречаются в химическом производстве при изготовлении пластмасс; в радиоэлектронной промышленности при производстве и транспортировке приборов и микросхем; в офисных помещениях, где находятся телевизоры, компьютеры и различная оргтехника. Кондиционеры и вентиляторы, выдувая наэлектризованные пылинки, повышают статический заряд в помещении; любые электроприборы создают при работе электростатические поля. Электростатические заряды возникают на поверхности самолёта при трении об воздух; на поверхности автомобиля, двигающегося в сухую погоду, если резина колёс обладает хорошей изоляцией. Статическое электричество может возникнуть в результате индукции от электрического поля высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) или грозы. Простым примером возникновения статического заряда может быть ходьба, когда происходит контакт подошвы с ковром, затем их разделение.

Дома источником статического электричества служат любые электроприборы, телевизор, компьютер, экран монитора, синтетическая одежда, шторы из синтетики и подушки, полиэтиленовые пакеты, даже расчёска из пластика. Все мы знаем, как волосы тянутся за расчёской, так как заряжены с ней разноимённо, и встают "дыбом", так как зарядились между собой одинаковым зарядом и поэтому разлетаются в разные стороны.

Величина зарядов статического электричества зависит многих вещей: от электропроводности материалов, от их диэлектрической проницаемости, от скорости движения, от трения частиц, от температуры и влажности воздуха. Статические заряды могут частично взаимно нейтрализоваться из-за некоторой электропроводности воздуха, могут стекать на землю по поверхности оборудования.

Но в некоторых случаях заряды велики и разность потенциалов велика. Тогда происходит искровой разряд между наэлектризованными частями оборудования или происходит разряд на человека. Например, у машины под линией ЛЭП может зарядиться наведённым зарядом металлическая дверь и разрядится она на дотронувшегося до двери человека, что может быть опасно для человека. Большая опасность возникает при молниях. При движении воздушных потоков облака могут образовывать электрические разряды, также разряды могут быть между заряженными облаками и землёй. Эти разряды могут разрядиться на человека, где нет молниеотводов.

Ещё пример статического разряда. Часто бывает, что водитель получает электроудар, покидая свою машину, потому что между сиденьем и одеждой в момент подъёма возникает заряд. Однако можно избежать удара, если до подъёма водитель дотрагивается до металлической детали (до рамы), тогда заряд успевает безопасно стечь через кузов и шины на землю.

Возникновение разрядов (искрение) на производствах - нежелательно, так как препятствует нормальной работе. Статическое электричество для различных электронных приборов - транзисторов, микропроцессоров - вредно, так как возникающее искрение имеет высокое напряжение и может вывести из строя.При искрении может возникнуть опасность пожара там, где ведётся работа с горючими жидкостями, смесями, легко воспламеняющимися растворами. У таких смесей, жидкостей есть минимальная энергия воспламенения. Это приходится учитывать. Если эта энергия ниже энергии разряда, возникает возгорание.

Человеческое тело является хорошим проводником, но так же может накапливать заряды. Если оператор находится в электрическом поле и держится за заряженный объект (например, за намотанную бобину плёнки), то его тело зарядится. Заряд остаётся в теле человека, если он в обуви на изолирующей подошве. Если оператор дотронется до металлических деталей, заряд может стечь и оператор получит электроудар, то - есть проскакивает искра. Так точно при работе с воспламеняющимися жидкостями. Если тело оператора будет генерировать заряд (передвижение по диэлектрикам, одет в синтетическую ткань, обувь с изолирующей подошвой), оператор может спровоцировать возгорание жидкости или растворителя.

В ряде случаев статическая электризация человека последующий разряд с человека на землю или заземлённое оборудование или разряд с незаземлённого оборудования через тело человека могут вызвать боль или нервные ощущения у человека. Человек в результате неожиданного болевого укола может сделать в ответной реакции резкие движения, упасть с высоты, получить травму, испугаться возникшего возгорания жидкости. В этом опасность статических разрядов. При разрядах электротравмы нет, но считается, что электрическое поле повышенной напряжённости вредно для человека. При длительном пребывании в таком поле могут наблюдаться изменения в сердечно - сосудистой или в центрально - нервной системах. Может возникнуть у человека фобия из - за страха ожидаемого удара. У людей, особенно в офисах, где много компьютеров и оргтехники, встречаются жалобы на головную боль, раздражительность, нарушение сна, аппетита. Вопрос влияния статического электричества на человека мало изучен.

Большой вред статическое электричество приносит на производстве, поэтому там принимают меры для защиты от статического электричества. При этом учитываются особенности технологического процесса, свойства обрабатываемых материалов и жидкостей.

Во -первых, проводят постоянный отвод статического электричества с помощью заземления. Так, например, если плёнка будет находиться на металлическом валу, и вал заземлён, заряд стекает на землю и разряда не будет. Для устранения статического электричества делают заземление корпусов оборудования.

У самолётов на шасси и днище фюзеляжа закреплены металлические тросики, что позволяет снимать статические заряды, образовавшиеся в полёте.

Для снятия статических зарядов с кузова автомобиля к днищу прикрепляют электропроводную полоску - "антистатик". Если водитель замечает при выходе из автомобиля, что кузов искрит, он должен разрядить кузов, прикасаясь металлическим ключом. Особенно это надо сделать перед заправкой машины бензином. Для человека разрядка в данном случае не опасна.

Для диэлектрических жидкостей, например, для нефтепродуктов вводят в основной продукт специальные присадки (элеат хрома, элеат кобальта др.) Для всех диэлектрических жидкостей (бензин, спирт др.) ограничивают разбрызгивание, плескание. Не допускается наполнение резервуаров свободно падающей с высоты струёй. Сливной шланг надо опускать до самого дна цистерны. Наконечники сливных шлангов надо заземлять гибким медным проводником. В состав резиновых шлангов для перекачки легко воспламеняющихся жидкостей вводят присадки (антистатические вещества, как графит, сажа), что снижает опасность воспламенения при переливании в авто- и железнодорожные цистерны. При сливе бензина на заправке бензовоз - заправщик заземляется дополнительно.

Для снижения действия статического электричества стараются применять материалы с большей электропроводностью или вводят антистатические присадки. Так для полов применяют антистатический линолеум. Регулярно делают антистатическую обработку ковролина, синтетических тканей. Соприкасающиеся предметы лучше изготовить из одного материала. Так полиэтиленовый порошок лучше хранить в полиэтиленовых бочках.

Влажный воздух имеет достаточную электропроводность. Поэтому увлажнение воздуха, например, в офисах, где много компьютеров, оргтехники, может быть одним из простых и доступных методов устранения статического электричества. Увлажнение воздуха более 70% обеспечивает постоянный отвод статических зарядов.

Есть другой метод устранения статических зарядов - ионизация воздуха. При работе ионизатора его ионы нейтрализуют заряды статического электричества. На производствах используют мощнейшие ионизаторы воздуха разной конструкции (индукционные, высоковольтные, радиационные). С помощью бытовых ионизаторов устраняют заряды на одежде, коврах, синтетических покрытиях.

Отвод статического электричества с человека на производствах осуществляют устройством электропроводящих полов, площадок, трапов. Обеспечивают средствами индивидуальной защиты - антистатические халаты, обувь на кожаной подошве или подошве из электропроводной резины.

Дома можно увлажнять воздух, поместив на батареи отопления влажные полотенца. Можно применять разные антистатики для тела, для тканей, чтобы не прилипала юбка к ногам, чтобы не трещал и не искрил свитер, когда снимаем. Для волос можно выбрать гребень из дерева, а если расчёска всё же из пластика, служит вода, масло розы, лаванды, да многое можно найти при желании придать волосам красоту и блеск себе на радость.

Последние советы раздела «Наука &Техника»:

Вам помог этот совет? Вы можете помочь проекту, пожертвовав на его развитие любую сумму по своему усмотрению. Например, 20 рублей. Или больше:)

Нарушение баланса между электрическими зарядами внутри материала или на его поверхности это возникновение статического электричества. Заряд сохраняется, пока он не будет снят вследствие протекания электрического тока или разряда. Статическое электричество вызывается при контакте и разделении двух поверхностей, и хотя бы одна из поверхностей является диэлектриком – непроводящим электрический ток материалом. Со статическим электричеством большинство из людей знакомы, поскольку они видели искры в момент нейтрализации избыточного заряда, ощущали на себе разряд и слышали сопровождающий его треск.

Причины статического электричества

Вещества состоят из атомов, которые в обычном состоянии электрически нейтральны, поскольку содержат равное количество положительных зарядов (протонов ядра) и отрицательных зарядов (электронов атомных оболочек). Статическое электричество заключается в разделении положительных и отрицательных зарядов. При контакте двух материалов электроны могут переходить с одного материала на другой, что приводит к избытку положительных зарядов на одном материале, и равном избытке отрицательного заряда на другом материале. При разделении материалов образовавшийся дисбаланс зарядов сохраняется.

В контакте материалы могут обмениваться электронами; материалы, слабо удерживающие электроны, склонны их терять, в то время как материалы, в которых внешние оболочки атомов не полностью заполнены, склонны захватывать электроны. Этот эффект называется трибоэлектрическим, и приводит к тому, что один материал заряжается положительно, а другой отрицательно. Полярность и величина заряда при разделении материалов зависит от относительного положения материала в трибоэлектрическом ряду.

Материалы располагаются в ряду, один конец которого является положительным, а другой отрицательным. При трении пары материалов материал, располагающийся ближе к положительному концу ряда, заряжается положительно, а другой – отрицательно. Единого трибоэлектрического ряда (подобного ряду напряжений металлов), не существует, как нет и единой теории электризации. Обычно ближе к положительному концу ряда располагаются материалы с большей диэлектрической проницаемостью.

Порядок следования материалов в трибоэлектрическом ряду может быть нарушен. Так в паре шелк-стело, стекло отрицательно, в паре стекло-цинк, отрицателен цинк, а в паре цинк-шелк, отрицательно заряжается не цинк, как следовало бы ожидать, а шелк. Такое отсутствие упорядоченности называется трибоэлектрическим кольцом.

Трибоэлектрический эффект – основная причина возникновения статического электричества в повседневной жизни, при взаимном трении различных материалов. Например, если потереть воздушный шарик о волосы, он заряжается отрицательно, и может притягиваться к положительно заряженным источникам стены, прилипая к ней и нарушая законы тяготения.

Предупреждение и у даление статических зарядов

Предотвратить накопление статики очень просто – достаточно открыть окно или включить увлажнитель воздуха. Увеличение содержания влаги в воздухе приведет к увеличению ее электрической проводимости, аналогичного эффекта можно добиться ионизацией воздуха.

Особо чувствительны к статическим разрядам предметы можно защитить нанесением антистатического средства, с образованием на поверхности предмета токопроводящего слоя.

Особенно чувствительны к разрядам статического электричества полупроводниковые компоненты электронных устройств. Для защиты этих устройств обычно используются токопроводящие антистатические пакеты. Работающие с полупроводниковыми схемами люди зачастую заземляют себя антистатическими браслетами, надеваемыми на кисть руки. Избежать образования статических зарядов при контакте с полом (например, в больницах), можно путем ношения антистатической обуви с токопроводящей подошвой.

Разряд

Искра – это разряд статического электричества, когда избыточный заряд нейтрализуется потоком зарядов из окружения или к окружению. Электрический удар вызывается раздражением нервов при протекании нейтрализующего тока через человеческое тело. Запасенная энергия статики зависит от размера объекта, электрической емкости, напряжения, до которого он оказался заряженным, и диэлектрической проницаемости окружающей среды.

Для моделирования эффекта разряда статики на чувствительные электронные приборы, человеческое тело представляется как электрическая емкость в 100 пФ, заряженная до напряжения от 4 до 35 кВ. При касании объекта эта энергия разряжается менее чем за микросекунду. Хотя общая энергия разряда мала, порядка миллиджоулей, она может повредить чувствительные электронные приборы. Большие объекты запасают больше энергии, что представляет опасность для людей при контакте, или воспламенить искрой горючий газ или пыль.

Молния

Молния – пример статического разряда атмосферного электричества в результате контакта частиц льда в грозовых облаках. Обычно значительные разряды могут накапливаться только в областях в малой электрической проводимостью. Разряд обычно наступает при напряжении поля порядка 10 кВ/см, в зависимости от влажности. Разряд перегревает окружающий воздух с образованием яркой вспышки и звука треска. Молнии – всего лишь масштабный вариант искры статического разряда электричества. Вспышка возникает вследствие нагрева воздуха в канале разряда до такой высокой температуры, что он начинает излучать свет, как и любое раскаленное тело. Удар грома – последствия взрывного расширения воздуха.

Электронные компоненты

Многие полупроводниковые приборы электронных устройств очень чувствительны к присутствию статики и могут быть повреждены разрядом. При обращении с наноустройствами обязательно ношение антистатического браслета. Другой мерой предосторожности является снятие обуви с толстой резиновой подошвой и постоянное стояние на металлическом заземленном основании.

Образование статического электричества в потоках возгораемых и горючих материалов

Разряд статического электричества представляет опасность в отраслях промышленности, где применяются горючие вещества, где маленькие электрические искры могут привести к взрыву. Движение мельчайших частиц пыли или жидкостей с малой электропроводностью в трубопроводах или их механическое перемешивание может вызвать образование статики. При статическом разряде в облаке пыли или паров возможен взрыв.

Взрываться могут зерновые элеваторы, лакокрасочные фабрики, участки производства стекловолокна, топливозаправочные колонки. Накапливание заряда в среде происходит при ее электрической проводимости менее 50 пС/м, при большей проводимости образующиеся заряды рекомбинируют (рекомбинация – процесс, обратный ионизации), и накапливания не происходит.

Наполнение больших трансформаторов трансформаторным маслом требует соблюдения предосторожностей, поскольку электростатические разряды внутри жидкости могут повредить изоляцию трансформатора.

Поскольку интенсивность образования зарядов тем выше, чем выше скорость течения жидкости и диаметр трубопровода, в трубопроводах диаметром более 200 мм скорость течения жидкости ограничивается стандартом. Так, скорость течения углеводородов с содержанием воды обычно ограничивается на уровне 1 м/с.

Образование зарядов ограничивается заземлением. При проводимости жидкости ниже 10 пС/м этой меры оказывается недостаточно, и к жидкости добавляются антистатические присадки.

Перекачивание топлива

Перекачивание горючих жидкостей наподобие бензина по трубопроводам может привести к образованию статического электричества, а разряд может привести к возгоранию паров топлива.

Подобные случаи происходили на автозаправках и в аэропортах при заправке самолетов керосином. Здесь также эффективно заземление и антистатические присадки. Течение газа в трубопроводах представляет опасность лишь при наличии в газе твердых частичек или капелек жидкости.

На космических аппаратах статическое электричество представляет большую опасность вследствие низкой влажности среды, и с этой опасностью придется считаться при осуществлении запланированных полетов на Луну и Марс. Пешие переходы по сухой поверхности могут вызвать образование огромных зарядов, могущих повредить электронные устройства.

Озонное растрескивание

Статические разряды в присутствии воздуха или кислорода вызывают образование озона. Озон повреждает резиновые детали, в частности, ведет к растрескиванию уплотнителей.

Энергия статического разряда

Высвободившаяся при статических разрядах энергия варьируется в широких пределах. Разряды энергией более 5000 мДж представляют опасность для человека. Один из стандартов предполагает, что предметы потребления не должны создавать разряд с энергией выше 350 мДж на человека. Максимальное напряжение ограничивается значением 35-40 кВ вследствие ограничивающего фактора – коронного разряда. Потенциал ниже 3000В обычно человеком не ощущается. Прохождение пешком 6 метров по полихлорвиниловому линолеуму при влажности воздуха 15% вызывает образование потенциала 12 кВ, в то время как при 80% влажности потенциал не превышает 1,5 кВ.

Искра возникает при энергии искры выше 0,2 мДж, но искру подобной энергии человек обычно не видит и не слышит. Чтобы произошел взрыв в водороде, достаточно искры с энергией 0,017 мДж, и до 2 мДж для паров углеводородов. Электронные компоненты повреждаются при энергии искры между 2 и 1000 нДж.

Применение статики

Статическое электричество широко используется в ксерографах, воздушных фильтрах, для окраски автомобилей, фотокопировальных устройствах, краскораспылителях, принтерах, и заправке топливом воздушных судов.