Elektrostatyka

Elektryczność statyczna występuje powszechnie w naszym środowisku zawodowym i życiu codziennym. Jednym z parametrów  określających stopień naelektryzowania jest natężenie pola elektrostatycznego E. Natężenie pola elektrostatycznego jest tym większe im większa jest wartość ładunku wytwarzającego to pole. Oddziaływanie pola elektrostatycznego na organizm ludzki i środowisko pracy niesie następujące zagrożenia:

  1. Niekontrolowane odruchy i ewentualne urazy ciała człowieka.
  2. Zakłócenia w pracy i potencjalne uszkodzenia urządzeń technicznych (elektronicznych).
  3. Pożarowo-wybuchowe.
  4. Zakłócenia przebiegu procesów technologicznych

Trzy pierwsze zagrożenia wynikają głównie z występowania wyładowań elektrostatycznych będących skutkiem dużych wartości pola elektrostatycznego.

Oddziaływanie pola elektrostatycznego na organizm człowieka.

Organizm człowieka, z punktu widzenia własności elektrycznych, charakteryzuje się znaczną przewodnością elektryczną i niewielką pojemnością elektryczną (150-300 pF). Z tego też względu oddziaływanie pola elektrostatycznego na nasz organizm wiąże się ze zjawiskami :

  • przepływu prądu przez człowieka zobacz tutaj,
  • powstawania wyładowań elektrostatycznych.

Niektóre publikacje podają i w obecności silnych pól elektromagnetycznych może występować zjawisko ,,mrowienia’’ naskórka, część osób narzeka na złe samopoczucie. Zauważalne jest jeżenie się włosów. Oddziaływanie biologiczne nie zostało wystarczająco wyjaśnione. Wyładowania elektrostatyczne w większości wypadków nie są szkodliwe dla organizmu człowieka. Jednak niemiłe uczucie, będące skutkiem  wyładowania, może wywołać nie kontrolowany odruch, prowadzący do uszkodzeń ciała, czy też wywołania sytuacji awaryjnej obsługiwanych urządzeń. Stosowanie jonizatorów koronowych do oczyszczania powietrza w pomieszczeniach z małych cząsteczek pyłu, wiąże się ze stosowaniem pola elektrostatycznego o natężeniu 10-20 kV/m. Można spotkać się z uwagami , iż długotrwałe przebywanie człowieka w takich pomieszczeniach nie jest obojętne dla jego organizmu.

Oddziaływanie pola elektrostatycznego w przemyśle.

Istnieje wiele praktycznych zastosowań zjawisk związanych z oddziaływaniem pola elektrostatycznego.

Malowanie elektrostatyczne metoda skutecznie poprawia jakość malowania , przyczyniając się jednocześnie do dużej oszczędności lakieru.

Elektrofiltry oczyszczanie gazów ze szkodliwych pyłów między innymi emitowanych przez kominy elektrociepłowni.

Jonizatory powietrza zapewniają tzw. czystość technologiczną w pomieszczeniach.

Rozpylacze zastosowanie w produkcji dezodorantów, w silnikach spalinowych.

Kserokopiarki do kopiowania obrazów i tekstu.

Urządzenia transportowe ,,przytrzymywanie‘’ i sklejanie materiałów .

Dejonizatory urządzenia aktywnie jonizujące konkretne miejsca, w wyniku czego następuje neutralizacja ładunków elektrycznych. Niestety elektryczność statyczna w przemyśle stwarza również zagrożenia dla samych urządzeń  i przebiegu procesów technologicznych. Jednym z niepożądanych efektów są utrudnienia manipulowania przedmiotami w wyniku przylegania do siebie materiałów. Zjawiskiem niekorzystnym jest też osiadanie kurzu i innych zanieczyszczeń. Najwięcej problemów stwarzają wyładowania elektrostatyczne, będące skutkiem rozładowania istniejących ładunków elektrycznych. Stanowią one duże zagrożenia dla urządzeń i elementów elektronicznych, które są teraz powszechnie stosowane w układach sterowania, przechowywania danych itp. Szczególne znaczenie takich wyładowań dotyczy miejsc, gdzie występują atmosfery potencjalnie wybuchowe. Najlepszym sposobem zapobiegającym wyładowaniom elektrostatycznym jest niedopuszczenie do gromadzenia ładunku elektrycznego. O sposobach zapobiegania, usuwania ładunków i ich pomiarach – w dalszej części.

Elektryzowanie

Elektryzowanie czyli wytwarzanie na danym obiekcie jednoimiennych ładunków elektrycznych może odbywać się na wiele sposobów. Niezrównoważony ładunek elektryczny może gromadzić się na:

  • materiałach przewodzących odizolowanych od ziemi,
  • nieprzewodzących (dielektrykach).
Obiektem przewodzącym jest obiekt o rezystywności powierzchniowej mniejszej niż Rs ≤ 107.

Obiektem częściowo przewodzącym jest obiekt o rezystywności skrośnej z zakresu 104 < Rv ≤ 10Ω m lub/i rezystywności powierzchniowej z zakresu 107 Ω < Rs ≤ 1010 Ω.

Obiektem nieprzewodzącym jest obiekt o wartości rezystywności skrośnej i/lub powierzchniowej większej od podanych powyżej.

Zgromadzone ładunki wytwarzają wokół siebie pole elektromagnetyczne o natężeniu tym większym im większa jest wartość ładunku.

Sposoby elektryzowania możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy

Elektryzacja kontaktowo-tarciowa występuje w warunkach zetknięcia lub zbliżenia a następnie rozdzielenia dwóch nie naelektryzowanych ciał. Warunki takie mogą występować przy przesypywaniu, pocieraniu, toczeniu, przepływie, itp. Wartość ładunku na naelektryzowanej powierzchni zależy od rodzaju materiału. Jeżeli będziemy trzeć dwa różne materiały, to powstanie  różnica potencjałów miedzy materiałem trącym i pocieranym. W sposób doświadczalny ustalono, że w zdecydowanej większości przypadków, ciało o większej stałej dielektrycznej, elektryzuje się dodatnio, a ciało o mniejszej stałej dielektrycznej elektryzuje się ujemnie. Jednocześnie stopień wzajemnego naelektryzowania będzie wprost proporcjonalny do różnicy ich stałych dielektrycznych.

Elektryzacja przez indukcję następuje w wyniku oddziaływania pola elektrycznego na materiał znajdujący się w jego otoczeniu. Sposób naelektryzowania czy też naładowania obiektu można określić jako:

  • wartość  ładunku elektrostatycznego Q
  • gęstość powierzchniową ładunku Q/cm2
  • wartość wytworzonego napięcia elektrostatycznego U
  • wartość natężenia pola elektrostatycznego E

Pomiary wielkości charakteryzujących poziom naelektryzowania materiałów

Istnieje wiele subtelności w fizyce elektrostatyki i interpretacja wyników pomiarów wymaga dość szerokiej wiedzy i doświadczenia. Proste odczytywanie wskazań mierników może prowadzić do błędnych wniosków. Mają one istotne znaczenie przy ocenie stopnia zagrożenia i skuteczności podjętych działań, w celu zmniejszenia lub eliminacji ładunków elektrostatycznych. Zastosowane metody pomiarowe powinny uwzględniać szereg dodatkowych aspektów mających znaczenie na osiągane wyniki. Należy uwzględnić między innymi:

  • przewodność badanego obiektu (izolator, przewodnik)
  • geometrię  badanych źródeł pola (małe, duże, szerokie, okrągłe, itp.)
  • obecność  w pobliżu innych przedmiotów (w szczególności  metalowych i stopień ich uziemienia)
  • wilgotność i temperaturę otoczenia
  • prawidłowe uziemienie miernika
  • zbliżenie miernika do badanego obiektu deformuje  rozkład pola.
  • właściwości samego miernika (rezystancja wejściowa, pojemność)

Pomiary w elektrostatyce  sprowadzają się do określania dwóch parametrów:

- aktualnego stanu naelektryzowania materiałów, obiektów,  urządzeń, ludzi
- właściwości  izolacyjnych materiałów, elementów urządzeń, które decydują o możliwościach spływu  ładunków

Stan naelektryzowania można określić przez pomiary: potencjału, natężenia pola, wielkości  ładunku, gęstości  ładunku.

Właściwości izolacyjne wyznacza się poprzez pomiary rezystywności powierzchniowej i skrośnej, oraz rezystancji.

Dodatkowo wyznacza się pojemność obiektu, czas naładowania i rozładowania.

W przypadku zagrożenia wybuchowego, podstawowym kryterium jest energia pola elektrostatycznego, którą utracił obiekt w trakcie wyładowania. Jeżeli  energia jest równa lub większa od energii zapłonu danej mieszaniny wybuchowej, to prawdopodobieństwo wybuchu jest bardzo duże.

Podstawowe zasady przy pomiarach napięcia elektrostatycznego obowiązujące dla przykładowego miernika SVM model 2 następujące:

  • W przypadku pomiaru napięcia elektrostatycznego w pobliżu nieuziemionego arkusza metalu (powierzchnia przewodząca), szerokość arkusza powinna wynosić co najmniej 5 odległości miernika od badanej płyty. Cechą charakterystyczną jest ścisła zależność wyświetlanej wartości napięcia od odległości miernika, Prawidłowa wartość napięcia wyświetlana dla odległości 1 cala( 2,5 cm). Dwukrotne zwiększenie odległości ,skutkuje zmniejszeniem wyświetlanej wartości o połowę.
  • W przypadku pomiaru napięcia elektrostatycznego naelektryzowanego arkusza izolatora , jego szerokość też powinna wynosić co najmniej pięć odległości miernika. Pomiary napięcia należy wykonać wielokrotnie i do obliczeń ładunku zastosować średnią wartość zmierzonego napięcia.
  • Odmienne zasady obowiązują w przypadku pomiarów dla małych powierzchni izolatorów i materiałów przewodzących, Istotne są też kształty tych przedmiotów. Szczegółowe zasady postępowania opisuje instrukcja obsługi. Należy pamiętać, że w przypadku innych mierników zasady postępowania mogą być całkowicie odmienne.

Środki ochrony przed elektrycznością statyczną i ich kontrola

Podstawową zasadą ochrony jest niedopuszczenie do powstawania ładunków i ich gromadzenia. Jeżeli jest to możliwe, należy zapewnić bezpieczne odprowadzenie ładunków elektrycznych.

Powierzchnie przewodzące (elementy metalowe, ciało człowieka, inne materiały spełniające kryterium Rs < 1 x 107). W celu odprowadzenia ładunków z takich powierzchni stosuje się uziemienia i połączenia wyrównawcze. Prawidłowe wykonanie instalacji uziemiających i systematyczna kontrola parametrów zapewni skuteczne odprowadzanie ładunków elektrycznych.

Powierzchnie nieprzewodzące (dielektryki). Zagadnienie neutralizacji ładunków z powierzchni sprowadza się do prób zmniejszenia rezystancji powierzchni zawierającej ładunki elektrostatyczne. Można wyróżnić  następujące sposoby stosowanych działań:

  • antystatyzacja – wprowadzenie odpowiedniej domieszki, lub naniesienia antystatyka na  powierzchnię tego materiału w celu zwiększenia przewodności elektrycznej
  • zwiększenie wilgotności powietrza  - metoda jest skuteczna dla materiałów, które wykazują zdolność powierzchniowego absorbowania wody
  • neutralizatory ładunku – metoda stosowana dla powierzchni płaskich, walcowanych, będących w ruchu. Neutralizacja następuje w skutek wytwarzania zjonizowanego powietrza w otoczeniu naelektryzowanej powierzchni.
  • ekranowanie – umieszczenie na nieprzewodzącej powierzchni  metalowej siatki i jej uziemienie

Do zmniejszenia zagrożeń można przyczynić się również, wprowadzając zmiany technologiczne w procesie produkcji. Zmniejszając szybkość procesów, stosując odpowiedni dobór materiałów, dokonując odpowiednich zmian konstrukcyjnych maszyn, można osiągnąć poprawę bezpieczeństwa. Najlepiej by nieprzewodzące materiały nie były użytkowane w atmosferach potencjalnie zagrożonych wybuchem. Istotnym elementem w takich strefach jest posadzka, która powinna umożliwić odprowadzanie ładunków do ziemi.