1tom295

11. ELEKTRYCZNOŚĆ STATYCZNA

592

być: ciała stałe, ciało stałe i ciecz, ciało stałe i gaz, ciecz i gaz. Warunki takie występują np przy ślizganiu, toczeniu, uderzaniu, rozdrabnianiu, przepływie, wypływie, mieszaniu. *

Podczas zetknięcia następuje przemieszczanie nośników ładunku między obu powierzchniami, wskutek czego po ich rozdzieleniu obydwa ciała mają nadmiarowe ładunki

0    przeciwnej biegunowości. Elektryzacja następuje w wyniku tworzenia się na granicy zetknięcia dwóch ciał elektrycznej warstwy podwójnej, składającej się z warstwy ładunków dodatnich i ujemnych. Nośnikami ładunku mogą być elektrony i jony. Na powierzchni granicznej może również powstać warstwa uporządkowanych dipoli.

Teoria warstwy podwójnej znajduje zastosowanie np. w transporcie rurociągami produktów naftowych. Warstwa podwójna powstaje w tym przypadku wskutek adsorpcji jonów określonego znaku na powierzchni metalu, przy jednoczesnym pozostawieniu w roztworze nadmiaru jonów o biegunowości przecisvnej.

W warunkach kontaktowania dwóch ciał stałych clcktryzację tłumaczy się przemieszczaniem elektronów względnie jonów. Model elektronowy clcktryzacji opiera się na teorii pasmowej ciała stałego. W przypadku układów metal-dielektryk i metal-półprzewodnik stosuje się również model kontaktu uwzględniający stany powierzchniowe. Stany powierzchniowe, tzn. dozwolone stany energetyczne elektronów wywołane istnieniem powierzchni kryształów, działają jak stany pułapkowe w przypadku elektronów i dziur. Powierzchnia dielektryka ma wiele stanów powierzchniowych, w tym również wywołanych zaadsorbowanymi zanieczyszczeniami [11.6].

Mechanizm jonowy jest tłumaczony obecnością na powierzchni dielektryka zaadsor-bowancj warstewki wody, częściowo zdysocjowanej, a ponadto zawierającej rozpuszczone zanieczyszczenia. Przemieszczanie jonów może następować wskutek dyfuzji, występowania sil elektromotorycznych, występowania różnicy sił wiążących jon z obu powierzchniami, a także pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.

Przemieszczanie nośników pomiędzy stykającymi się obiektami jest możliwe tylko w punktach, w których odległość jest niezbyt duża. Istotną rolę odgrywają więc gładkość powierzchni i siła docisku. W przypadku wystąpienia tarcia odgrywają rolę dodatkowe zjawiska spowodowane występowaniem tzw. asymetrii tarcia, w wyniku której występują lokalne nagrzania w punktach zetknięcia. Wzrost temperatury może być przyczyną zmniejszenia tzw. pracy wyjścia elektronów, względnie przemieszczania się obecnych na powierzchni ruchliwych jonów. W przypadku tarcia może również nastąpić przemieszczenie materiału wraz z ładunkami elektrycznymi, wytwarzanie swobodnych elektronów

1    ich pułapkowanic, zjawiska piezoelektryczne i piroelektryczne. Występowaniem asymetrii tarcia tłumaczy się fakt elektryzacji przy tarciu dwóch identycznych materiałów.

Z przedstawionych hipotez wynika, że w przypadku kontaktowania ze sobą dwóch ciał, a w szczególności przy tarciu, zjawisko elektryzowania jest złożone, przy czym trudno jest określić ilościowy udział poszczególnych procesów, który w dodatku zmienia się w zależności od wielu czynników. Do tych czynników' należy zaliczyć: rodzaj materiałów, gładkość powierzchni, siłę docisku (ciśnienie między zetkniętymi powierzchniami, zanieczyszczenia powierzchni, warunki otoczenia, a w przypadku tarcia — ponadto — prędkość względnego przemieszczania trących ciał oraz pracę tarcia. Ogólnie biorąc, w przypadku tarcia elektryzacja jest bardziej intensywna niż w warunkach samego kontaktowania dwóch ciał.

Charakterystyczne jest to, że rozkład dwóch ładunków na powierzchni naelekt-ryzowanych materiałów dielektrycznych jest z reguły niejednorodny, a nawet mogą występować obok siebie ładunki o przeciwnej biegunowości.

Od dawna podejmowano próby — na wzór szeregów napięciowych metali — ze-stawiania tzw. szeregów tryboelektrycznych materiałów [11.12]. W tablicy 11.1 podano przykład takiego szeregu.

Tablica 11.1 Przykład szeregu tryboclektrycznego, wg [11.6]

„+*’ etyloceluloza, polimetakrylan metylu, ebonit, octan celulozy, szkło, metale, polistyren, polietylen, teflon

Każdy z materiałów elektryzuje się dodatnio przy tarciu o materiał położony bliżej ujmnego końca szeregu i odwTOtnie. Dwa materiał)' przy tarciu o siebie — elektryzują się tym intensywniej, im są bardziej oddalone od siebie w szeregu. W praktyce — ^ze wzalędu na wptyw wielu trudnych do zidentyfikowania czynników — szeregi tryboelekt-ryczne są zawodne.

W przypadku ciał chemicznie czystych obowiązuje reguła Coehna, wg której:

__przy zetknięciu dwóch dielektryków dielektryk o większej przcnikalności elektrycznej

elektryzuje się dodatnio;

__gęstość powierzchniowa ładunków jest proporcjonalna do różnicy przenikalności

elektrycznej obu stykających się dielektryków;

_ przy kontaktowaniu dielektryków stałych z metalami metal elektryzuje się dodatnio

lub ujemnie, w zależności od tego, czy przeważa przechodzenie do dielektryka elektronów czy też jonów.

W warunkach elektryzowania przez kontaktowanie już w momencie rozdzielania obu ciał rozpoczyna się ich rozładowywanie. Nośniki ładunku elektrycznego mogą swobodnie przemieszczać się pomiędzy obu ciałami, aż bariera potencjału między oddalającymi się powierzchniami stanic się tak duża, że ustanie swobodna wymiana ładunku elektrycznego. W wyniku rozdzielania ładunków elektrycznych powstaje pole elektryczne, które powoduje autoemisję i dalsze zmniejszanie ładunku elektrycznego do takiej wartości, że autoemisja nie jest już możliwa. Gdy wielkość szczeliny między powierzchniami wzrośnie do wielokrotności drogi swobodnej cząsteczek gazów wchodzących w skład powietrza (ok. 5-10'° m), wówczas wielkość ładunku elektrostatycznego zmaleje wskutek wyładowań w powietrzu. Gęstość ładunku, jaki wówczas pozostaje, określa się jako gęstość maksymalną i odpowiada ona wytrzymałości elektrycznej powietrza, która w normalnych warunkach atmosferycznych przy małych odległościach jest określona prawem Paschena (minimalne napięcie przebicia przy odległości ok. 7- I0^-6 m wynosi 330 V), a przy odległościach rzędu 10^-2 m i większych — natężeniem pola 3-10⁶ V-m^-1. Wartość ta determinuje maksymalną gęstość powierzchniową ładunku, która zależy ponadto od rozkładu pola elektrycznego wokół naelektryzowanego obiektu, występowania ładunku objętościowego oraz. ładunku bipolarnego.

Rys. 11.1. Rozkład pola elektrycznego wokół naciektryzowancj próbki P próbka; o, b elektrody; E_a> E_b natężenia pola elektrycznego: q_w. q_sh zastępcze gęstości powierzchniowe ładunku

Zagadnienie to zilustrowano na rys. 11.1, na którym naelektryzowany obiekt stanowi płasko-równolegla próbka dielektryka P, umieszczona pomiędzy elektrodami a i h. W przedstawionym przypadku należy uwzględnić natężenie pola eletrycznego po obu stronach naelektryzowanej próbki (E_a, E_b). Tym samym stan naelektryzowania tej próbki można określić za pomocą dwóch zastępczych gęstości powierzchniowych ładunku q„

1    q_sb. Wartości natężenia pola E_a i E_h zależą od wymiarów geometrycznych rozpatrywanego układu, przenikalności elektrycznej próbki, a także od rozkładu oraz biegunowości ładunku. W pewnych przypadkach, np. folii mającej na przeciwległych powierzchniach ładunki o przeciwnej biegunowości, gęstości powierzchniowa ładunku mogą znacznie przekraczać podawaną często w literaturze wartość 2,65-10“⁵ C-m^-2. Wartość ta odpowiada jedynie przypadkowi, gdy naelektryzowany obiekt można uznać za płaską Powierzchnię o nieskończenie dużych wymiarach, naelektryzowaną ładunkiem o stałej gęstości.

Po naelektryzowaniu badanego obiektu z materiału dielektrycznego, a więc np. po rozdzieleniu uprzednio zetkniętych ciał, rozładowywanie następuje na drodze: upływu skrośnego, upływu powierzchniowego oraz upływu przez powietrze.

Upływ skrośny sprowadza się do przemieszczania ładunku w objętości obiektu

²    materiału o określonej przewodności elektrycznej skrośnej, pod wpływem pola .S Poradnik inżyniera elektryka tom 1