Статическое электричество: возникновение и методы защиты

Что такое статическое электричество и как от него избавиться

Статическое электричество – неподвижный заряд, то есть не имеющий никакого направления. Он появляется на различных поверхностях, проводниках, на диэлектриках. Он может образоваться от трения двух поверхностей друг об друга. В некоторых случая статический заряд может иметь внушительный потенциал и быть даже опасным для жизни человека.

Принцип образования такого явления объясняется тем, что атом находится в равновесии, когда имеет одинаковое число протонов и электронов. Перемещаясь от атома к атому возникают заряженные ионы. Если происходит их дисбаланс, появляется статическое напряжение. В данной статье будет подробно описан механизм его появления и все физические особенности. Дополнением служат два ролика и одна скачиваемая статья в формате PDF.

Cтатическое электричество
Статическое электричество.

История изучения явления

Ах, какие это были эффектные и увлекательные опыты! Как восхитительно вскрикивали и бледнели дамы, когда преисполненные важности ученые демонстраторы извлекали из разряженных кавалеров длинные голубовато-фиолетовые искры, когда простым поднесением руки они воспламеняли спирт и горстки пороха, когда несколько десятков кавалеров, взявшихся за руки, получали ошеломляющий удар, стоило только двум крайним прикоснуться к внешне безобидной стеклянной банке…

Все эти поразительные эффекты вызывались до смешного простыми средствами: стеклянной палочкой, натертой сухим мехом, вращающимися стеклянными шарами и цилиндрами, трущимися о ладони человека, изолированного от пола. Всеобщее увлечение электричеством от трения во второй половине XVIII века можно сравнить лишь с энтузиазмом, за сто лет до этого вызванным открытием атмосферного давления.

Согласно определению, статическое электричество как эффект – опасное явление, угрожающее здоровью и практической деятельности любого человека. Чтобы осмыслить и понять его природу, следует вспомнить, что все известные вещества состоят из молекул, а последние из мельчайших частичек, называемых атомами. В их центре находится ядро с протонами и нейтронами, а вокруг него по различным орбитам вращаются группы электронов. Суммарный заряд этих частиц соответствует тому же показателю для протонов, поэтому атом в целом нейтрален.

Даже самые трезвые ученые поддались всеобщему опьянению. Как некогда пытались свести все к действию атмосферного давления, так теперь ухитрялись проявление электричества увидеть и во вращении планет вокруг Солнца, и в возникновении землетрясении, и в течении многих болезней. Не случайно 1750 — 1780-е годы вошли в историю физики как «период электричества от трения».

Изображение атома
Изображение атома

Конец этому периоду положило «создание прибора, который по своим действиям сходен с лейденской банкой… но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой». Так в 1799 году А. Вольта описывал свою электрическую батарею — великое изобретение, резко изменившее весь ход электрических исследований.

Вольтов столб, давший возможность получать сравнительно большие токи при невысоких напряжениях, сосредоточил внимание ученых на магнитных, механических и тепловых действиях электрического тока, которые к концу XIX века уже лежали в основе всей электротехники. Но лишь в XX веке начал возрождаться интерес к некогда заброшенному «электричеству от трения». И причиной этого возрождения стало важное изобретение, сделанное на рубеже столетий, — коронный разряд …

 «Коронный» разряд

Промышленный опыт прошлого столетия свидетельствовал главным образом об отрицательных действиях «электричества от трения». Сами того не подозревая, инженеры строили электростатические генераторы огромных размеров и, увы, достаточно высокой эффективности. Мы говорим: «увы», поскольку их эффективность подтверждалась сильнейшими взрывами на пороховых заводах, мукомольных мельницах и сахарных фабриках.

Оказывается, невозможно транспортировать сахар, муку и вообще любой сухой порошок по трубам или транспортерам без того, чтобы они не накапливали в себе электрический заряд. Кожаные и прорезиненные ремни на вращающихся шкивах тоже наэлектризовываются до весьма высокого напряжения. Бумага, ткани, резиновые шнуры и ленты — и они сильно электризуются в процессе обработки. А если в воздухе висит мелкая горючая пыль — скажем, мука или сахарная пудра, — то проскочившая от наэлектризованного тела искра может вызвать взрыв.

Материал в тему: как определить мощность тока.

XX век неимоверно расширил сферу вредного проявления электростатического электричества. Бесчисленные пластмассы, искусственные и синтетические волокна, лаки и краски, нефть, нефтепродукты и другие электризующиеся жидкости — вот далеко не полный перечень.

Будет интересно➡  Фантомное питание для микрофона: схема подключения

Электризуются самолеты во время полета. Электризуется нефть во время перекачки по трубопроводам, электризуется даже пар в процессе испарения и движения по трубам. Поэтому и в нашем веке внимание специалистов поначалу было направлено главным образом на то, чтобы снизить эффективность нечаянных электростатических генераторов, избавиться от электризации и ее неприятных последствий. И в дополнение к увлажнению обрабатываемых материалов и появляются методы ионизации воздуха — радиоактивные изотопы и коронный разряд .

Если к двум пластинам, разделенным сантиметровым промежутком, приложить напряжение, превышающее 30 тыс. в, происходит пробой — проскакивает искра, воздух перестает быть изолятором и становится проводником. А что произойдет, если приложить отрицательное напряжение в 100 тыс. в к проводу, проходящему в центре заземленного цилиндра радиусом 10 см?

На первый взгляд ничего не должно произойти: ведь на каждый сантиметр пространства, разделяющего провод и цилиндр, приходится не 30 тыс. в, необходимых для пробоя, а всего лишь 10 тыс.

Так оно и было бы, если бы речь шла о параллельных пластинах, создающих однородное электрическое поле в зазоре. Тонкий же провод в цилиндре создает неоднородное поле, около стенок цилиндра оно слабее, а в зоне, примыкающей к проводу, на 1 см может приходиться напряжение больше 30 тыс. в.

Электроны, вырывающиеся при этом с поверхности провода, внедряются в молекулы кислорода и превращают их в отрицательно заряженные ионы, устремляющиеся к стенкам цилиндра под действием электрического поля. В этот-то момент вокруг провода и возникает зеленоватое свечение — коронный разряд. Делая воздух электропроводным, такой разряд снимает заряд с наэлектризовавшихся веществ.

Для этого он и применялся поначалу. Но потом оказалось, что в подобном явлении таился ключ к широкому промышленному применению статического электричества. В 1905 году английский изобретатель Ф. Коттрелл стал пропускать сквозь трубу с коронным разрядом газ, загрязненный частицами сажи и золы. Получающиеся в разряде ионы «налипали» на твердые частицы и сообщали им большой отрицательный заряд, после чего такие частицы быстро отбрасывались электрическим полем на стенки заземленной трубы, из которой в результате выходил очищенный газ.

Генератор статического поля
Генератор статического поля

Коронный разряд, позволивший сообщать диэлектрическим телам заряды, во много раз большие тех, которые можно было сообщить им за счет трения, придал промышленное значение статическому электричеству. Опыты, прежде служившие для развлечения, легли в основу важных технических устройств и процессов. Появились установки для разделения всевозможных сыпучих смесей с помощью электростатики. Она стала широко применяться в технологических процессах полиграфии, обработки бумаги и пленок.

В электростатическом поле производится окраска, нанесение абразивных частиц, сухих порошков и даже коротких волокон на всякого рода подложки. Электростатическое поле и коронный разряд — главные участники ксерографического процесса для быстрого воспроизведения текстов и методов бесконтактной печати. Так входит в промышленность и в жизнь «электричество от трения», которым увлекались во второй половине XVIII века и которым мало занимались на протяжении последующих 150 лет. И в этом быстро растущем практическом применении электростатики секрет повышенного интереса к электростатическим генераторам, необходимым для приведения в действие всех этих важных технологических процессов.

Параметры электростатических разрядов
Основные параметры разряда статического электричества.

Причины появления

Оно может возникать на изолированных проводниках, на поверхности или в объеме диэлектриков. Трение, возникающее при соприкосновении двух веществ разного рода, ведет к электризации диэлектриков. Это происходит из-за различных молекулярных и атомных сил. Можно сказать, что статическое электричество получается при нарушении их равновесия благодаря приобретению или потере электрона.

Будет интересно➡  Чему равна электроемкость конденсатора?

Объяснить этот процесс очень просто. Состояние равновесия атома достигается при наличии одинакового числа протонов и электронов. Перемещаясь от одного атома к другому, электроны формируют положительные и отрицательные ионы.

При их дисбалансе и возникает статическое электричество. Протоны и электроны имеют одинаковый электрический заряд, но с разной полярностью. Он измеряется в кулонах и определяет количество электричества, которое проходит за 1 сек. в поперечном сечении проводника. Статический заряд прямо пропорционален числу неустойчивых ионов, то есть дефициту или избытку электронов.

Природное статическое напряжение
Природное статическое напряжение

Статическое электричество способно генерироваться. Это происходит за счет отсутствия у положительного иона одного электрона, вследствие чего он может принимать от отрицательной частицы свободный электрон. В свою очередь отрицательный ион может представлять собой атом либо молекулу, обладающую большим количеством электронов. В этих случаях имеется один электрон, который способен нейтрализовать положительный заряд.

Основными причинами, влекущими за собой возникновение статического электричества, являются:

  • отдаление или контакт двух материалов;
  • быстрые температурные перепады;
  • УФ-излучение, радиация, сильные электрические поля;
  • операции, производимые путем нарезания (раскроечные станки или бумагорезальные машины);
  • наведение, то есть возникновение электрического поля, вызванного статическим зарядом.

Явление, называемое статическим электричеством, встречается повсеместно в быту. Электростатический разряд происходит при очень высоких показателях напряжения, но при низких токах. При этом не возникает опасности для человека. Несмотря на это, защита от статического электричества необходима, так как оно может быть опасным для многих элементов электроприборов. От него очень часто страдают транзисторы, микропроцессоры, схемы и т.д.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Меры защиты

Работая с радиоэлектронными компонентами, необходимо принимать меры и предотвращать накопление статического заряда. Прямая опасность существует при молниях, возникающих в процессе образования грозовых облаков. Облака вследствие движения воздушных потоков, которые насыщены водными парами, могут образовывать Также такие разряды часто возникают между заряженными облаками и землей. В этом случае нужна защита от статического электричества в виде молниеотводов.

Легкие получаемые в результате различных проявлений статического электричества, с первого взгляда безобидны, но это далеко не так. Это явление может скрывать в себе большую опасность, так как возникающая искра способна вызывать возгорание. Статическое электричество и защита от него – это два понятия, которые должны быть известны каждому, так как из-за незнания случаются порой серьезные неприятности.В быту и на производстве необходимо предупреждать возникновение такой разновидности электричества. Для этого следует проводить регулярно Легковоспламеняющиеся жидкости – это еще одна серьезная угроза. Ими необходимо пользоваться в хорошо проветриваемых местах, что позволяет частично предотвратить статическое электричество (и защита от него в таком случае вам почти гарантирована). Используйте в процессе работы с такими жидкостями натуральную одежду, заземление вращающихся механизмов и только металлическую тару для хранения жидкостей, способных быстро воспламеняться.

Эффект волшебной лампы
Эффект волшебной лампы

Причины возникновения и проявления

Статическое напряжение возникает из-за нарушения общего баланса электрически заряженных частичек, имеющихся в любой материи. Формируется оно не только по заранее спланированному сценарию: по желанию учителя или экспериментатора. На практике оно чаще всего проявляется без участия и вопреки его воле.

Простой пример: надевание одежды, изготовленной на основе синтетических тканей. Из-за трения о тело и последующего за этим возникновения статических зарядов материя начинает плотно облегать его и не позволяет придать наряду желанный вид. Единственно возможный выход в этой ситуации – обрызгать его специальным средством, называемым «антистатиком». Только таким способом удается снять излишки заряда с синтетического материала.

Другими характерными причинами образования статического заряда являются:

  • ощутимые перепады температур, происходящие к тому же очень резко;
  • высокий уровень радиации, приводящий к повышению энергии электронов и появлению в материале разнородно заряженных частиц;
  • наличие сильных индукционных и магнитных полей.
Будет интересно➡  Что такое мощность электрического тока и как ее рассчитать

Первые две причины, из-за которых человека начинает «бить током», не нуждаются в особых пояснениях. В отличие от них, магнитная индукция представляется серьезной проблемой, особенно в последнее время.

Удар молнии в башню
Удар молнии в башню

С постоянным ростом количества бытовых приборов, во многих из которых имеются индуктивные элементы, влияние электромагнитных полей на человека резко возрастает. Одно из таких проявлений – электризация атмосферы из-за разделения частиц воздуха на заряженные электроны и ионы, что является по сути тем же проявлением статического электричества.

Постепенное накапливание факторов риска, связанных с самыми различными источниками посторонних полей, привели к отдельному направлению в науке, занимающимся исследованием степени их опасности. С другой стороны, ученые с давних пор задумывались о полезных свойствах электризации и возможности поставить этот эффект на службу человеку.

Статическое электричество
Статическое электричество

Минусы и плюсы проявления статики

К опасным проявлениям электростатики в первую очередь относят постоянное трение некачественной одежды о тело человека и накапливание на коже электрических зарядов. В технической области этот эффект особо остро проявляется при работе монтажников-специалистов по пайке микросхем. В данном случае он угрожает выходом из строя дорогостоящих чипов или даже целых устройств, собираемых на их основе. При сборке ценных и редких микрочипов требованиями безопасности предусмотрены специальные меры защиты от этих неприятных проявлений.

В технологиях, связанных с пайкой некоторых микросхем, электростатическая защита предполагает одевание на руку заземленного браслета, при наличии которого опасность устраняется за счет стекания зарядов на землю. Такие предупредительные меры касаются в основном устаревших К-МОП структур, все чаще вытесняемых современными микрочипами, имеющими встроенную защиту от статического электричества.

Опасность для человека

К опасным для человека проявлениям статики как таковой относят:

  • грозовые разряды, сопровождающиеся молнией – их причиной является длительное трение воздушных потоков; по возможным последствиям, включая пожарную опасность, они намного превосходят все остальные проявления;
  • воздействие зарядов на биологический покров (кожу) и появление сильных раздражений на ней;
  • опасные и неприятные разряды электричества через тело человека при прикосновении к металлическим частям незаземленного оборудования.

Последнее явление не имеет никакого отношения к критическим ударам тока, вызванным аварийными ситуациями, когда опасное напряжение попадает на корпус бытового прибора. Все эти вопросы касаются лишь внешней стороны проявлений статического электричества, избавиться от которых удается с помощью технических средств защиты. При более внимательном изучении этого процесса выясняется, что воздействие статики на соматику и организм человека способны привести к более серьезным последствиям:

  • систематические нарушения сна;
  • изменения тонуса сердечно-сосудистой системы;
  • сильная утомляемость;
  • возникновение проблем с нервной системой;
  • небольшие отклонения в работе мышечных тканей.

Хотя эти нарушения поначалу не очень заметны, со временем в организме накапливаются изменения, способные привести к серьезным отклонениям. Следствием плохого сна становятся проблемы с психикой, а та в свою очередь приводит к другим заболеваниям. Вред от этого эффекта в данном случае не вызывает сомнений.

Влияние статического тока на человека
Влияние статического тока на человека

Заключение

Рейтинг автора
Автор статьи
Лагутин Виталий Сергеевич
Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.
Написано статей
74

Более подробно о статическом напряжении рассказано в материале  Исследование статического напряжения. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.simco-ion.ru

www.electrolibrary.info

www.donschool86.ru

www.pue8.ru

www.strojdvor.ru

Предыдущая
ТеорияЧто такое электрическое сопротивление
Следующая
ТеорияЧто такое электролиз и где он применяется на практике
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять