Elektryczność statyczna jest niewidzialną siłą , która czasami może przynosić nam korzyści , a czasami powoduje wiele problemów . Na co dzień elektryczność statyczna jest trudno zauważalna , z wyjątkiem sytuacji , kiedy ktoś zostaje gwałtownie porażony przy dotknięciu klamki w drzwiach samochodu lub poręczy . W warunkach przemysłowych ta niewidzialna siła może spowodować znaczne problemy , zatrzymać produkcję , a nawet doprowadzić do zniszczeń , jeżeli wystąpi podczas produkcji elementów elektronicznych . Elektryczność statyczna może być także celowo wytwarzana , jeżeli chcemy np. aby dwa elementy plastikowe skleiły się ze sobą w procesie produkcyjnym .
Każdy materiał zawiera jednakową ilość cząstek ujemnych i dodatnich . Zwykle cząstki różnych znaków znajdują się w stanie równowagi . Materiał nie jest wówczas naelektryzowany . Jeżeli potrzemy wełnianą tkaniną płytkę z tworzywa sztucznego , np. z PCV , część elektronów z wełnianej tkaniny przeniesie się na izolator . Płytka z tworzywa ma teraz nadmiar cząsteczek ujemnych , czyli posiada ładunek ujemny. Tkanina straciła część swoich elektronów i posiada ich niedobór , czyli ładunek dodatni . Te ładunki dodatnie i ujemne są nazywane elektrycznością statyczną .
Elektryczność statyczna może powstawać wszędzie , szczególnie na materiałach przewodzących słabo lub wcale . Na przykład , w tych branżach przemysłu , w których produkuje się tworzywa sztuczne , papier , tkaniny , czy elementy elektroniczne . W rezultacie produkcja jest spowolniona lub nawet całkowicie wstrzymana z powodu szczepienia się elementów , przyciągania kurzu itp.
Stosowanie rozcieńczalników grozi eksplozją spowodowaną wyładowaniami elektrostatycznymi.
Elektryczność statyczna , a ściślej mówiąc wyładowania iskrowe elektryczności statycznej są niejednokrotnie przyczyną pożarów i wybuchów powodujących poważne straty materialne w gospodarce narodowej.
Zjawiska występowania elektryczności statycznej w praktyce przemysłowej
i życiu codziennym są coraz częstsze wskutek wprowadzenia nowych materiałów ( np. tworzyw sztucznych ) i nowych procesów technologicznych.
Rozwój przemysłu powoduje również coraz szersze wytwarzanie i wykorzystanie cieczy łatwopalnych , gazów i rozdrobnionych materiałów.
Stosowanie ich w procesie produkcji , gospodarstwach rolnych , warsztatach lub mieszkaniach wiąże się jednak zawsze z możliwością powstawania mieszanin par cieczy , gazów i pyłów z powietrzem, które ze względu na łatwopalność stwarzają poważne zagrożenie pożarowe. W pomieszczeniach
i urządzeniach , gdzie występują tego typu mieszaniny , powstanie nawet niewielkiego impulsu cieplnego w postaci iskierki wyładowania elektrostatycznego może stać się przyczyną groźnego w skutkach wybuchu
i pożaru.
Mechanizm powstawania elektryczności statycznej może być różny, ale zawsze polega na rozdzieleniu występujących w materii ładunków ( plus i minus) . Jednym z przykładów na elektryczność statyczną może być elektryzowanie stykowe( kontaktowe ) ,które polega na tym ,że ładunki elektryczności statycznej występują na granicy dwóch stykających się ciał lub materiałów.
Wartość ładunku elektrostatycznego zależy od :
Właściwości obu materiałów
Rodzaju powierzchni i jakości styku
Wytworzone przy naładowaniu napięcie elektrostatyczne U zależy od zgromadzonego ładunku Q i pojemności elektrycznej C
U = Q/C
W każdym ciele stałym i cieczy występuje podwójna warstwa elektryczna. Przy zetknięciu się dwóch ciał ładunki elektryczne mogą przepływać z jednego ciała na drugie. Po rozłączeniu tych ciał w jednym jest nadmiar elektronów , a w drugim niedobór. Efektem tego jest to, że jedno ciało zostało naładowane ujemnie a drugie dodatnio. Elektryzacja przy tarciu występuje wszędzie tam gdzie występuje tarcie dwóch ciał . Mechanizm powstania elektryczności statycznej przy tarciu jest podobny do elektryzowania stykowego , lecz sama elektryczność jest dużo większa ( większa powierzchnia styku , wyższa temperatura ).
Ładowanie występuje wtedy, gdy materiał przewodzący umieścimy w polu elektrycznym i będzie on izolowany od ziemi.
Badania nad zjawiskami pojawiania się elektryczności statycznej wykazały ,
że nie tarcie powoduje jej występowanie , ale samo zetknięcie i oddzielenie od siebie dwóch różnych materiałów .
Stykające się ze sobą powierzchnie nigdy nie są idealnie gładkie . Najlepiej wygładzone powierzchnie oglądane w dużym powiększeniu mają wiele nierówności i dlatego stykają się ze sobą tylko w nielicznych miejscach . Przy pocieraniu znacznie większa ilość punktów styka się ze sobą , a tym samym większa liczba elektronów przechodzi z jednego materiału do drugiego . Oznacza to , że przez pocieranie można nieco intensywniej naelektryzować dany materiał , oczywiście tylko do pewnych granic , które zależą od właściwości materiałów .
Elektryczność statyczna może pojawiać się na wszystkich materiałach , a więc ciałach stałych , cieczach i gazach , z tym że na jednym materiale ładunki utrzymują się dłuższy okres czasu, na innym bardzo szybko nikną . Utrzymanie się ładunków jest możliwe tylko na materiałach źle przewodzących elektryczność , zwanych izolatorami lub inaczej dielektrykami, takich ja szkoło , ebonit, porcelana , guma , suchy jedwab, bawełna itp., w których elektrony poruszać się będą z dużymi trudnościami.
W materiałach będących przewodnikami elektryczności , np. we wszystkich metalach , elektrony poruszają się bardzo swobodnie , mając wiele możliwości powrotu do swych atomów lub odpływu do ziemi.
Jeżeli zetkniemy ze sobą dwa różne izolatory , to pewna liczba elektronów przemieści się z jednego materiału na drugi i w momencie odsuwania od siebie tych materiałów pozostaną one naelektryzowane . Inaczej wygląda sprawa zetknięcia ze sobą dwóch przewodników . W fazie stykania się ich ze sobą elektrony również przemieszczają się , lecz w momencie odkrywania dzięki dużej swobodzie elektronów powrócą one do swych atomów przez miejsca,
w których materiały najpóźniej się rozłączą.
Z powyższego wynika ,że dwa przewodniki nie dadzą się wzajemnie naelektryzować ,gdyż zanim zdążymy je od siebie oderwać , wole elektrony natychmiast spłyną , powracając do swych atomów ( w przypadku przewodników umieszczonych na izolatorach ) lub zostaną odprowadzone do ziemi poprzez uziemienie , którym może być również ciało człowieka .
Dla pełnego obrazu należy wyjaśnić ,że stykane lub pocierane o siebie dwa materiały , jak np. guma i metal , a więc izolator i przewodnik , dają się elektryzować dlatego, że w gumie elektrony nie są swobodne.
Część metalowa w tym przypadku musi być zabezpieczona izolatorem, który umożliwi odpływ wolnych elektronów do ziemi.
Omówienie zjawisk gromadzenia się ładunków elektrostatycznych pozwala zrozumieć ,że najbardziej niebezpieczne jest stykanie się lub tarcie między dwoma izolatorami oraz izolatorem i przewodnikiem ( nieuziemionym ).
Nagromadzone ładunki elektryczności statycznej utrzymują się na nich tak długo, aż poprzez upływność samego izolatora lub wskutek wyładowań iskrowych zostaną odprowadzone do ziemi. Chcąc uniknąć przeskoku iskry , mogącej zainicjować wybuch lub pożar, bardzo ważnym zagadnieniem jest odprowadzenie ładunków z tych materiałów czy urządzeń do ziemi oraz ograniczenie możliwości zbierania się ładunków do wielkości , przy których nie może nastąpić szkodliwe wyładowanie iskrowe.
Dwa stykające się ze sobą ciała , na powierzchniach których powstały ładunki elektryczne równe co do ilości , lecz o przeciwnych znakach , można rozpatrywać jako kondensator . Kondensatorem nazywamy układ dwóch płytek będących przewodnikami ( np. płytek metalowych ) przedzielonych materiałem izolacyjnym. Najprostszym kondensatorem jest układ dwóch płytek metalowych nazywanych okładkami , ustawionych w pewnej odległości od siebie . Do okładek przymocowane są przewody umożliwiające odprowadzanie z nich ładunków elektrycznych . Charakterystyczną cechą kondensatorów jest ich pojemność , im jest ona większa , tym większa ilość ładunków elektrycznych może się w nim gromadzić , podobnie jak w zbiorniku wodnym ; większa pojemność- więcej wody możemy w nim magazynować . Pojemność kondensatora zależy od powierzchni płytek i od odległości między nimi oraz od rodzaju izolatora rozdzielającego płytki.
Często spotykamy się ze zjawiskiem gromadzenia się ładunków elektrycznych na ciele ludzkim wskutek noszenia odzieży wykonanej z tworzyw sztucznych , które łatwo się elektryzują .
Niejednokrotnie najprostsze czynności , jakie wykonujemy w zakładzie pracy, gospodarstwie rolnym czy własnym mieszkaniu powodują powstawanie ładunków elektrostatycznych i wyładowania iskrowe, mogące w sprzyjających warunkach spowodować pożar. Iskry te przy świetle dziennym są niedostrzegalne , co utrudnia ich wykrycie i zwalczenie.
[ Henryk Jaworski „ Elektryczność statyczna a pożary „ ]
Wartość potncjału i natężenia pola elektrostatycznego w niektórych sytuacjach
Krzesło metalowe lakierowane - pozycja siedząca 200 V
Krzesło metalowe z izolacją nóg - pozycja siedząca 150 V - 7 kV
Chodzenie w obuwiu o gumowych spodach po drodze 400 V - 1 kV
Chodzenie w obuwiu o gumowych spodach po dywanie wełnianym 20 kV
Chodzenie w obuwiu o spodach skórzanych 300 - 400 V
Ruch samochodu po jezdni betonowej do 3 kV
Przed ekranem monitora w odległości d=2 cm +12kV,550 kV/m
Przed ekranem monitora w odległości d= 50 cm 0,2 kV/m
Gradient potencjału między monitorem , a operatorem 14,2 kV
U mężczyzn podczas chodu 0,385 *10 º C
U kobiet podczas chodu
0,959 * 10° C
Warunki zagrożenia i walka z elektrycznością statyczną .
Pożar lub wybuch inicjowany wyładowaniami elektrostatycznymi jest możliwy przy jednoznacznym spełnieniu następujących warunków :
1. w powietrzu znajdują się palne gazy , pary lub pyły o stężeniu zawartym w granicach wybuchowości ,
2. prąd generowania jest większy od prądu rozładowania ,
3. ładunki elektryczności statycznej stwarzają w obszarze mieszaniny palnej pole elektryczne o napięciu wystarczającym do wyładowania iskrowego,
4. energia wyładowania jest wystarczająca do wywołania zapłonu mieszaniny.
W celu zapobieżenia zapłonowi dąży się do eliminacji dwóch z wymienionych warunków . Zapobieganie zagrożeniu wynikającemu z warunku 1 realizuje się przez stosowanie atmosfery ochronnej , jeżeli wyładowanie może nastąpić wewnątrz aparatury , a przy możliwości wyładowania zewnętrznego - przez wentylację pomieszczeń , hermetyzację aparatury i opakowań .
Zasadnicze środki walki z zagrożeniem w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem polegają na zmniejszeniu prądu generowania , uziemieniu
i zwiększeniu prądu rozładowania przez powietrze .
Metody zapobiegania powstawaniu i gromadzeniu się ładunków elektryczności statycznej
Zasadniczo istnieją dwie metody walki z powstawaniem i gromadzeniem się ładunków elektryczności statycznej , a mianowicie :
Zapobieganie powstawaniu ( podziału ) ładunków ,
Zapobieganie gromadzeniu się ładunków .
Stosowanie metody pierwszej , polegającej na zapobieganiu powstawaniu w urządzeniach technicznych wolnych ładunków elektrycznych wymaga stosowania ciał o jednakowej stałej dielektrycznej . Trudno jednak z całkowitą pewnością określić znak ładunku , jaki powstanie w różnych okolicznościach na danym materiale ( stopie, roztworze , mieszaninie gazów ) i dlatego metoda ta w warunkach przemysłowych jest prawie niemożliwa do stosowania .
Wszystkie znane , skuteczne sposoby walki z wyładowaniami elektryczności statycznej są pewną odmianą drugiej metody.
Metoda ta polegająca na zapobieganiu gromadzenia się ładunków , jest szeroko stosowana i zawiera wiele możliwości spokojnego , a więc beziskrowego zneutralizowania powstałych ładunków lub odprowadzenia ich do ziemi już w chwili ich powstania. Metoda polega głównie na :
ziemieniu ,
Zwiększeniu wilgotności powietrza,
Jonizacji powietrza,
Stosowaniu preparatów antystatycznych.
Uziemienie
Najpowszechniej stosowanym sposobem zapobiegania gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych jest uziemienie ciał, na których się one gromadzą . Należy przy tym oddzielnie rozpatrywać usuwanie ładunków elektrostatycznych z materiałów przewodzących i materiałów nieprzewodzących.
Wszędzie , gdzie mogą powstać ładunki elektrostatyczne na materiałach nieprzewodzących , należy dążyć do tego , aby przynajmniej jedno z ciał miało powierzchnię przewodzącą ( metaliczną ) .
Przykładem tego może być stosowanie rurociągów metalowych do przetłaczania cieczy łatwopalnych oraz stosowanie naczyń metalowych do gromadzenia
i transportu cieczy łatwopalnych . Jeżeli jedna z powierzchni stykających się ze sobą jest przewodnikiem ( metal ) a druga dielektrykiem , to powierzchnię metaliczną należy uziemić w celu odprowadzenia do ziemi wolnych ładunków elektrycznych. W tej sytuacji do ziemi zostanie odprowadzona tylko jedna część
wolnych ładunków , podczas gdy druga część ładunków przeciwnego znaku pozostanie na powierzchni dielektryka i może w dalszym ciągu stwarzać niebezpieczeństwo wyładowań iskrowych. Uziemienie tego rodzaju , zmniejsza niebezpieczeństwo wyładowań elektryczności statycznej ale tylko częściowo.
Całkowite uniknięcie wyładowań iskrowych możliwe jest tylko w przypadku jednoczesnego odprowadzenia ładunków do ziemi z przewodnika ( np. część urządzenia, zbiornika lub rurociągu metalowego) jak również z dielektryka
( którym może być ciało stałe , ciekłe lub gazowe ). Odprowadzanie ładunków elektrostatycznych z ruchomych materiałów nieprzewodzących umożliwiają uziemione szczotki lub luźno przylegające do ich powierzchni siatki metalowe .
Dla odprowadzania ładunków elektryczności statycznej w zakładach przemysłowych wykorzystuje się najczęśćiej instalację uziemień przeciwporażeniowych i przewody wodociągowe.
Mimo ,że uziemienie tylko częściowo zabezpiecza przed gromadzeniem się ładunków elektrostatycznych , wobec czego nie stanowi dostatecznego zabezpieczenia przed pożarem lub wybuchem , istnieje obowiązek uziemienia elementów metalowych , na których gromadzić się mogą ładunki elektrostatyczne. Uziemiać należy nie tylko część urządzeń , na których może się gromadzić elektryczność statyczna , lecz również i inne części tego samego urządzenia , a nawet innych urządzeń znajdujących się w tym samym pomieszczeniu.
W wielu przypadkach zachodzi konieczność stosowania uziemień w połączeniu z innymi urządzeniami , zapobiegającymi gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych. Na ogół przyjmuje się , że wartość oporności stosowanych uziemień nie powinna przekraczać 10000 omów , niemniej inne względy
( zachowanie ciągłości i niezmienność uziemienia , wytrzymałość mechaniczna przewodów uziemiających , odporność na korozję ) powodują , że dla ochrony elektrostatycznej urządzeń , stosuje się uziemienie o odporności nie przekraczającej 10 omów.
Zwiększenie wilgotności powietrza .
Zwiększenie wilgotności powietrza w znacznym stopniu ułatwia odprowadzanie ładunków elektrostatycznych z materiałów izolacyjnych.
Wilgotność względna powietrza w granicach 80 do 90 % właściwie uniemożliwia gromadzenie się ładunków elektrostatycznych na przedmiotach nieprzewodzących. Utrzymanie wilgotności względnej we wspomnianych granicach jest trudne do zrealizowania ( ruchy powietrza , zmiany temperatury i itp.). Przyjęto , że utrzymanie wilgotności względnej powietrza na poziomie 70 do 75 % wystarcza do zabezpieczenia przed gromadzeniem się większych ładunków , przy czym utrzymanie wilgotności w tych granicach nie nastręcza większych trudności. Odprowadzanie ładunków elektrostatycznych z materiałów izolacyjnych w powietrzu wilgotnym odbywa się poprzez zwiększenia ich przewodności powierzchniowej . Przy wilgotności względnej 75 % na przedmiotach , na których gromadzą się ładunki , wytworzy się bardzo cienka warstwa wody , która podnosi na tyle przewodność powierzchniową materiałów nieprzewodzących , że pojawiające się ładunki mogą zostać natychmiast odprowadzone do najbliższej uziemionej części maszyny .
Ten sposób zapobiegania powstawaniu i gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych zdaje egzamin w przypadku produktów łatwo absorbujących wodę , poza produktami , które wskutek wilgotności ulegają pęcznieniu , psuciu lub których zdolność do samozapalenia zwiększa się . Sposób ten zawodzi w przypadku materiałów nie dających się zwilżyć a równocześnie łatwo elektryzujących się ( np. niektóre tworzywa sztuczne ) , które nazywamy materiałami hydrofobowymi .
Utrzymanie stałej wilgotności na odpowiednim poziomie umożliwiają urządzenia automatyczne samoczynnie regulujące wilgotność powietrza . Nawilżone powietrze doprowadzane jest do pomieszczeń za pomocą specjalnych urządzeń . Zwiększyć wilgotność w pomieszczeniu można również przez rozwieszenie mokrych tkanin lub zwilżanie okresowe ściany i podłogi , ale jest to sposób zbyt prymitywny i trudny do kontrolowania.
Jonizacja powietrza
Jednym ze sposobów , za pomocą którego można zapobiec gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych , jest jonizacja powietrza , szczególnie przydatna do usuwania ładunków zbierających się na materiałach izolacyjnych , nie dających się zwilżyć , a więc wszędzie tam gdzie nawilgocenie powietrza nie daje właściwych efektów .
Jonizacja powietrza polega na wytworzeniu w nim swobodnych , dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych . W normalnych warunkach powietrze nie przewodzi prądu elektrycznego lub przewodzi go w bardzo małym stopniu.
Gdyby powietrze było przewodnikiem nie następowałoby gromadzenie ładunków elektrostatycznych .
Rozróżnia się dwa sposoby jonizacji elektrycznej oraz jeden wywoływany promieniowaniem radioaktywnym . Najprostszym sposobem jonizacji powietrza jest zastosowanie uziemionego metalowego pręta mającego równomiernie rozmieszczone na całej długości ostrza lub kolce . Ostre zakończenie metalowego przedmiotu znacznie ułatwia odpływ ładunków elektrostatycznych .
W pomieszczeniach i urządzeniach , w których ze względu na charakter produkcji tworzą się wybuchowe mieszaniny powietrza z gazami , płynami
i parami cieczy palnych lub stosowane są w produkcji materiały łatwo zapalne i wybuchowe , należy stosować tylko środki powodujące powolną jonizację powietrza , przy której nie występuje możliwość wyładowania iskrowego .
W takiej sytuacji najlepiej jest stosować promieniowanie radioaktywne , które spełnia warunki bezpieczeństwa przeciwpożarowego .
Do jonizacji powietrza stosuje się pierwiastki radioaktywne czyli promieniotwórcze i ich odmiany zwane izotopami promieniotwórczymi.
Preparaty antystatyczne
Stosowanie preparatów antystatycznych ma na celu zwiększenie przewodności materiałów izolacyjnych , na których gromadzą się ładunki elektrostatyczne .
Polega ono na tym , że do przerabianych w czasie produkcji materiałów izolacyjnych ( np. gumy, lakierów ) wprowadza się środki nie pozwalające na gromadzenie się na nich ładunków elektrostatycznych , a więc zwiększające przewodność materiału . W takim przypadku wyroby gotowe będą miały również właściwości antystatyczne.
Innym sposobem jest stosowanie materiałów antystatycznych do pokrywania przez zraszanie lub malowanie powierzchni materiałów izolacyjnych, dzięki czemu uzyskuje się zwiększenie ich przewodności powierzchniowej .
Preparatami tymi , które są najczęściej roztworami kilku gramów środka antystatycznego rozpuszczonego w wodzie , alkoholu metylowym lub innym rozpuszczalniku , można również zraszać substancje sypki i włókniste .
Po odparowaniu rozpuszczalnika pozostałe na powierzchni materiału izolacyjnego cząsteczki środka antystatycznego uniemożliwiają powstanie ładunków elektrostatycznych i ich gromadzenie
Stosowanie ochrony antyelektrostatycznej w pomieszczeniach oraz przestrzeniach zewnętrznych zagrożonych pożarem i / lub wybuchem .
Ochronę przed elektrycznością statyczną stosuje się w pomieszczeniach oraz przestrzeniach zewnętrznych zagrożonych pożarem i / lub wybuchem , w których występują media palne o minimalnej energii zapłonu W z min < 500 mJ. Wymaganie to dotyczy obiektów, instalacji oraz urządzeń zarówno istniejących , jak też projektowanych.
W pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych , w których wyznaczone zostały strefy zagrożenia wybuchem ZO, Z1 lub Z10 , stosowanie środków ochrony antyelektrostatycznej jest konieczne zawsze w przypadkach , gdy w obiektach tych operuje się substancjami o minimalnej energii zapłonu
W z min < 50 mJ.
W przypadkach pozostałych ( strefy Z 2 , Z 11 , oraz 50 mJ < W z min < 500 mJ) ochrona jest konieczna tylko wtedy , jeżeli nie jest spełniony warunek bezpieczeństwa wg PN-92/E-05202.
Stosowanie ochrony antyelektrostatycznej w pomieszczeniach oraz przestrzeniach nie zagrożonych pożarem ani wybuchem jest konieczne tylko wtedy , gdy zjawisko elektryczności statycznej stwarza zagrożenie dla personelu ( porażenie prądem, długotrwała ekspozycja w silnych polach elektrostatycznych ), wywołuje istotne zaburzenia w przebiegu procesu produkcji , wpływa na pogorszenie jakości wyrobów lub powoduje zakłócenia w elektronicznych układach pomiarowych , kontrolno-regulacyjnych oraz w systemach elektronicznego przetwarzania danych.
W zakładach ( przedsiębiorstwach ) , w których wymagana jest ochrona przed elektrycznością statyczną , powinna być opracowana instrukcja eksploatacyjna w zakresie stosowania i kontroli skuteczności środków ochrony .
Ochronę antyelektrostatyczną uważa się za skuteczną , jeżeli prawdopodobieństwo powstawania stanu zagrożenia jest znikome .
Osiąga się to przez :
Usunięcie z zasięgu pola elektrostatycznego materiałów , wyrobów lub obiektów , narażonych na szkodliwe jego oddziaływanie ,
Zlikwidowanie elektryzacji lub odpowiednie zmniejszenie ( poniżej wartości „krytycznych określonych w PN -92/E-05201 i PN - 92/E-05202) czasu utrzymania się ładunku nadmiarowego i/lub stopnia naelektryzowania materiałów lub wyrobów i/lub energii wyładowań .
Skuteczność środków ochrony antyelektrostatycznej kontroluje się wg kryteriów podanych w PN-92/E-5201, PN-92/E-05202, PN-92/E-05203 .
Częstotliwość przeprowadzania kontroli w pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych , w których wyznaczone zostały strefy zagrożenia wybuchem ZO i Z10 - co najmniej jeden raz na kwartał , a w pozostałych przypadkach - co najmniej jeden raz w roku. [ Polska Norma PN-E-05204 ].
1
2