НЕМНОГО ТЕОРИИ

Для тех, кому интересно откуда берется статический заряд и для тех, кто хочет бороться с ним с научным подходом или понимать теорию, на основании которой произведено наше оборудование, и был написан данный раздел. Он написан специалистами компании Fraser Anti-Static Techniques, суммарный опыт работы которых в отрасли борьбы со статикой и ее применения составляет более ста лет. Десятилетия опыта были положены в основу передовых и востребованных на рынке устройств и приборов, которые мы продаем.

1. Вступление о статическом электричестве

2. Что такое статическое электричество

3. Как генерируется статическое электричество

4. Измерение статического заряда

5. Четыре основные проблемы, связанные со статическим электричеством

6. Оценка минимального заряда, достаточного для воспламенения опасных атмосфер

I. Вступление о статическом электричестве

Наши клиенты обычно не интересуются научными объяснениями статического электричества. Это работа специалистов Fraser Anti-Static Techniques Ltd., чьи глубокие знания и годы опыта вкупе с качеством производства в результате дают отличную продукцию, которую мы рады представить нашим покупателям.

Но если Вы все-таки хотите получить представление об этом явлении, предлагаем вам ознакомиться с информацией из этого и следующих разделов.

Статическое электричество — не самая развитая область научных исследований, потому что исторически оно не рассматривалось как полезное, в отличие от электрического тока, который имел много применений в обеспечении энергией.

С 1940-х годов растущее применение пластиков в быту и промышленности, а также новые технологии сделали электростатику предметом более глубоких научных изысканий, но общий уровень знаний о статическом электричестве все еще достаточно мал.

В промышленности это все еще очень часто предмет суждений, а не точного научного знания. Слишком много физических и химических свойств взаимодействующих объектов и окружающей среды осложняют проведение точного анализа. Также есть проблемы и с измерением статического электричества.

Вернуться к списку для выбора раздела.

II. 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.

Электрический заряд электрона составляет -1,6*10-19 кулона. Протон с таким же по величине зарядом имеет положительную полярность. Статический заряд в кулонах прямо пропорционален избытку или дефициту электронов, т.е. числу неустойчивых ионов. Кулон – это основная единица статического заряда, определяющая количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1 ампер.

У положительного иона отсутствует один электрон, следовательно, он может легко принимать электрон от отрицательно заряженной частицы. Отрицательный ион в свою очередь может быть либо одиночным электроном, либо атомом/молекулой с большим числом электронов. В обоих случаях существует электрон, способный нейтрализовать положительный заряд.

Вернуться к списку для выбора раздела.

III. Как генерируется статическое электричество

Основные причины появления статического электричества:

  1. Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).
  2. Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
  3. Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, сильные электрические поля (не очень распространенные в промышленных производствах).
  4. Операции резки (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).
  5. Электромагнитная индукция (вызванное статическим зарядом возникновение электрического поля).

Поверхностный контакт и разделение материалов, возможно, являются наиболее распространенными причинами возникновения статического электричества на производствах, связанных с обработкой рулонных пленок и листовых пластиков. Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания материалов или перемещения друг относительно друга различных слоев материалов. Этот процесс не вполне понятен, но наиболее правдивое объяснение появления статического электричества в данном случае может быть получено проведением аналогии с плоским конденсатором, в котором механическая энергия при разделении пластин преобразуется в электрическую:

Результирующее напряжение = начальное напряжение х
(конечное расстояние между пластинами/начальное расстояние между пластинами)

Когда синтетическая пленка касается подающего/приемного вала, невысокий заряд, перетекающий от материала к валу, провоцирует дисбаланс. По мере того, как материал преодолевает зону контакта с валом, напряжение возрастает точно также как в случае с конденсаторными пластинами в момент их разделения. Практика показывает, что амплитуда результирующего напряжения ограничена вследствие электрического пробоя, возникающего в промежутке между соседними материалами, поверхностной проводимости и других факторов. На выходе пленки из контактной зоны часто можно слышать слабое потрескивание или 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 заземленный его положительный заряд быстро стекает.

Большая часть оборудования имеет много валов, поэтому величина заряда и его полярность могут часто меняться. Наилучший способ контроля статического заряда – это его точное определение на участке непосредственно перед проблемной зоной. Если заряд нейтрализован слишком рано, он может восстановиться до того, как пленка достигнет этой проблемной зоны.

В теории возникновение статического заряда может быть проиллюстрировано простой электрической схемой:

C – выполняет функцию конденсатора, который накапливает заряд, как батарея. Это обычно поверхность материала или изделия. R – сопротивление, способное ослабить заряд материала/механизма (обычно при слабой циркуляции тока). Если материал является проводником, заряд стекает на землю и не создает проблем. Если же материал является изолятором, заряд не сможет стекать, и возникают сложности. Искровой разряд возникает в том случае, когда напряжение накопленного заряда достигает предельного порога.

Токовая нагрузка - заряд, сгенерированный, например, в процессе перемещения пленки по валу. Ток заряда заряжает конденсатор (объект) и повышает его напряжение U. В то время как напряжение повышается, ток течет через сопротивление R. Баланс будет достигнут в момент, когда ток заряда станет равен току, циркулирующему по замкнутому контуру сопротивления. (Закон Ома: U = I х R).

Если объект имеет способность накапливать значительный заряд, и если имеет место высокое напряжение, статическое электричество приводит к возникновению таких серьезных проблем, как искрение, электростатическое отталкивание/притягивание или электропоражение персонала.

Полярность заряда

Статический заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Для разрядников постоянного тока (AC) и пассивных разрядников (щеток, шнуров, мишуры) полярность заряда обычно не важна.

Вернуться к списку для выбора раздела.

IV. Измерение статического заряда

Измерение величины статического заряда является очень важной процедурой, которая позволяет обнаружить присутствие заряда, определить его амплитуду и породивший источник.

Как уже отмечалось выше, статическое электричество возникает при дефиците или избытке электронов в атоме. Вследствие того, что измерить величину заряда на поверхности объекта в кулонах невозможно, измеряют сопротивление или напряженность электрического поля, связанную со статическим зарядом. 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.

Приборы Fraser серии 710 собраны по представленной ниже схеме и измеряют напряжение на поверхности объекта.

А – напряжение в конденсаторе изменяется вместе с изменением величины заряда.

Проводя измерения с расстояния 100 мм, и пользуясь формулой Q (заряд) = С (емкостное сопротивление) х U (напряжение), можно вычислить емкостное сопротивление.

Измерительные приборы Fraser просты в использовании и очень полезны для анализа возникших проблем или прогноза их появления в будущем.

При измерениях параметров статического электричества важно следовать инструкциям по эксплуатации приборов. Электрическое поле действует в единственном направлении, поэтому его практическое изучение не представляет сложностей. Одними из наиболее интересных и важных для измерения заряда характеристик электрического поля являются:

  • Электрическое поле - участок пространства, на котором действуют электрические силы, величины которых выражены в кулонах.
  • Все заряженные объекты окружены электрическим полем.
  • Силовые линии поля проходят перпендикулярно поверхности объекта и указывают направление, по которому действует сила.
  • Электрическое поле может охватывать несколько объектов, что важно учитывать при проведении измерений и осуществлении мероприятий по нейтрализации статического заряда.

Как отмечалось выше, в воздушном пространстве силовые линии электрического поля проходят перпендикулярно поверхности заряженного объекта. Это позволяет производить измерения с очень высокой точностью.

В случае с производством и обработкой синтетической пленки следует отметить важную деталь. Когда материал перемещается по валу, электрический заряд переходит к валу, и кажется, что поле исчезло. Поэтому вблизи вала нет возможности производить точные измерения. Электрическое поле появляется вновь, когда материал преодолевает зону контакта, и статический заряд можно снова измерить точно.

Вернуться к списку для выбора раздела.

V. Четыре основные проблемы, связанные со статическим электричеством

1. Статический разряд в электронике

На эту проблему необходимо обратить внимание, т.к. она часто возникает в работе с электронными блоками и компонентами, использующимися в современных контрольно-измерительных устройствах.

В электронике основная опасность, связанная со статическим зарядом, исходит от человека, несущего заряд, и пренебрегать этим нельзя. При разряде образуется тепло, которое приводит к выжиганию соединений, прерыванию контактов и разрыву дорожек микросхем. Высокое напряжение уничтожает также тонкую оксидную пленку на полевых транзисторах и других элементах, имеющих покрытие.

Часто компоненты не полностью выходят из строя, что можно считать еще более опасным, т.к. 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. Подробная информация по этому вопросу содержится в документах европейского стандарта CECC 00015.

2. Электростатическое притяжение/отталкивание

Это, возможно, наиболее широко распространенная проблема, возникающая на предприятиях, связанных с производством и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Она 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.

Притягивание/отталкивание происходит в соответствии с законом Кулона, в основе которого лежит принцип обратной пропорциональности квадрата расстояния. В простой форме он выражается следующим образом:

Сила притяжения или отталкивания = Заряд А * Заряд В / Расстояние между объектами2

Следовательно, интенсивность проявления этого эффекта напрямую связана с амплитудой статического заряда и расстоянием между притягивающимися или отталкивающимися объектами. Притягивание 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, он будет провоцировать притягивание, создавая зеркальную копию заряда на нейтральных объектах.



3. Риск возникновения пожара

Риск возникновения пожара не является общей для всех производств проблемой. Но вероятность возгорания очень велика на полиграфических и других предприятиях, где используются легковоспламеняющиеся растворители.

В опасных зонах наиболее распространенными источниками возгорания являются незаземленное оборудование и подвижные проводники. Если на операторе, находящемся в опасной зоне, надета спортивная обувь или туфли на токонепроводящей подошве, существует риск, что его тело будет генерировать заряд, способный спровоцировать возгорание растворителей. Незаземленные проводящие детали машин также представляют опасность. Все, что находится в опасной зоне должно быть хорошо заземлено. Нижеследующая информация дает краткое пояснение способности статического разряда провоцировать возгорание в легковоспламеняющихся средах. Важно, чтобы неопытные продавцы были заранее осведомлены о видах оборудования, чтобы не допустить ошибки в подборе устройств для применения в таких условиях.

Способность разряда провоцировать возгорание зависит от многих переменных факторов:

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

Типы разряда
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 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 выше МЭВ паров растворителя, может произойти воспламенение.
Энергия искры рассчитывается следующим образом: Е (в Джоулях) = 1/2 С U2

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 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.

Мощность разряда
Если объект, имеющий энергию, не очень хорошо проводит электрический ток, например, человеческое тело, сопротивление объекта будет ослаблять разряд и понижать опасность. Для человеческого тела существует эмпирическое правило: считать, что любые растворители с внутренней минимальной энергией воспламенения менее 100 мДж могут воспламениться несмотря на то, что энергия, содержащаяся в теле, может быть выше в 2 – 3 раза.

Источник и энергия разряда
Величина и геометрия распределения заряда являются важными факторами. Чем больше объем тела, тем больше энергии оно содержит. Острые углы повышают мощность поля и поддерживают разряды.

Минимальная энергия воспламенения МЭВ
Минимальная энергия воспламенения растворителей и их концентрация в опасной зоне являются очень важными факторами. Если минимальная энергия воспламенения ниже энергии разряда, возникает риск возгорания.

4. Удар электрическим током

Вопросу риска статического удара в условиях промышленного предприятия уделяется все больше внимания. Это связано с существенным повышением требований к гигиене и безопасности труда. Удар током, спровоцированный статическим электричеством, в принципе, не представляет особой опасности. Он просто неприятен, если только не вызывает резкой реакции отклонения от объекта удара.

Существуют две общие причины статического удара.

Наведенный заряд

Если человек находится в электрическом поле и держится за заряженный объект, например, за намоточную бобину для пленки, возможно, что его тело зарядится от наведенной индукции.

Заряд остается в теле оператора, если он находится в обуви на изолирующей подошве, до того момента, пока он не дотронется до заземленного оборудования. 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. Когда оператор трогает металлические детали оборудования, заряд может стечь и спровоцировать электроудар.

При перемещении людей по синтетическим ковровым покрытиям порождается статический заряд при контакте между ковром и обувью. Электроудары, которые получают водители, покидая свою машину, провоцируются зарядом, возникшим между сиденьем и их одеждой в момент подъема. Решение этой проблемы – дотронуться до металлической детали автомобиля, например, до рамы дверного проема, до момента подъема с сиденья. Это позволяет заряду безопасно стекать на землю через кузов автомобиля и его шины.

Удар, спровоцированный оборудованием

Такой электроудар возможен, хотя происходит значительно реже, чем поражение, спровоцированное материалом. Если намоточная бобина имеет значительный 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.

Вернуться к списку для выбора раздела.

VI. Оценка минимального заряда, достаточного для воспламенения опасных атмосфер

При определении эффективности применения антистатического ионизатора ЕХ1250 во взрывоопасной среде может возникнуть вопрос о количественной оценке остаточного статического поля на предмет возможности привести к воспламенению или взрыву в опасной атмосфере, возникающей в производственном процессе.

Увы, на этот вопрос вряд ли есть точный и однозначный ответ, так как степень опасности зависит от того, способен ли накопленный заряд генерировать электрическое поле с достаточным напряжением, чтобы сформировать пробой на материале с последующим разрядом, содержащим энергию, большую, чем минимальная энергия воспламенения горючей атмосферы данного процесса.

Конечно, различные виды разрядов требуют различных условий для их возникновения, например, искровой разряд, кистевой разряд и т.д.

Самый лучший международный источник информации по теме, касающейся статических опасностей - это руководство IEC60079-32-1, но и оно не дает никаких точных значений напряжений, но тем не менее в разделе 7.1.5. "Невоспламеняющие разряды при операциях с жидкостями" утверждает следующее:

Опасность воспламенения может возникнуть при гораздо более низких напряжениях (обычно от 5 до 10 кВ), если изолированные проводники, такие, как плавающие металлические объекты или неправильно закрепленные элементы, находятся в емкости, или если контейнер имеет изолирующую подложку без точки контакта для заземления находящейся в нем жидкости и наполняется жидкостью, которая имеет достаточную проводимость для создания разрядов.

Далее раздел A.3. "Электростатические разряды" дает описание статического разряда:

А.3.2. Искры

Искра - это разряд между двумя проводниками, жидкими или твердыми. Она характеризуется ярко выраженным световым каналом разряда, несущим ток высокой плотности. Газ ионизирован на всю длину канала. Разряд очень быстрый и вызывает резкий треск.

Искра происходит между двумя проводниками, когда напряженность поля между ними превышает электрическую напряженность атмосферы. Разница потенциалов между проводниками, необходимая для пробоя, зависит как от формы так и от расстояния между проводниками. Для сравнения: напряженность пробоя для поверхностей плоских или с большим радиусом искривления при расстоянии 10 мм или более между ними составляет 3 МВм-1 (300 В на мм) в нормальном воздухе и увеличивается при увеличении расстояния.

Поскольку объекты, между которыми проскакивает искра, являются проводниками, преобладающая часть сохраненного заряда проходит через искру. В большинстве случаев на практике это рассеивает почти всю сохраненную энергию. Энергия искры между проводящим телом и проводящим заземленным объектом может быть вычислена по следующей формуле:

W = 1/2 Q V = 1/2 C V 2,

где

  • W - рассеянная энергия в джоулях,
  • Q - количество заряда на проводнике в кулонах,
  • V - его потенциал в вольтах,
  • C - его емкость в фарадах.

Результатом расчета является максимальное количество энергии. Энергия искры будет меньше, если есть сопротивление в пути разряда на заземление. Типичные значения емкостей проводников даны в таблице ниже:

Таблица А.2 Значения емкостей типичных проводников
ОбъектЕмкость в пФ
(1 пФ = 1х10-12 Ф)
Мелкие металлические предметы (наконечник шланга, ковш)от 10 до 20
Малые контейнеры (корзина, барабан до 50 л)от 10 до 100
Средние контейнеры (250 — 500 л)от 50 до 300
Крупные объекты (реакторы, окруженные заземленными структурами)от 100 до 1000
Тело человекаот 100 до 200

Исходя из того, что искра может возникать как между жидкими, так и твердыми проводниками, мы можем принять в качестве примерной оценки нижнего порога для разряда в 5-10 кВ, что очень приблизительно и не учитывает ни форму проводников, ни состав и концентрацию газовой смеси.

Также в заключение можно сказать, что фактическая возможность пожара или взрыва всегда зависит не только от напряжения, но и емкости проводника и минимальной энергии воспламенения окружающей атмосферы данного производственного процесса.

Вернуться к списку для выбора раздела.