Повседневная деятельность любого человека связана с его перемещением в пространстве. При этом он не только ходит пешком, но и ездит на транспорте.
Во время любого движения происходит перераспределение статических зарядов, изменяющих баланс внутреннего равновесия между атомами и электронами каждого вещества. Он связан с процессом электризации, образованием статического электричества.
У твердых тел распределение зарядов происходит за счет перемещения электронов, а у жидких и газообразных - как электронов, так и заряженных ионов. Все они в комплексе создают разность потенциалов.
Причины образования статического электричества
Наиболее распространенные примеры проявления сил статики объясняют в школе на первых уроках физики, когда натирают стеклянные и эбонитовые палочки о шерстяную ткань и демонстрируют притяжение к ним мелких кусочков бумаги.
Также известен опыт по отклонению тонкой струи воды под действием статических зарядов, сконцентрированных на эбонитовом стержне.
В быту статическое электричество проявляется чаще всего:
при ношении шерстяной или синтетической одежды;
хождении в обуви с резиновой подошвой или в шерстяных носках по коврам и линолеуму;
пользовании пластиковыми предметами.
Ситуацию усугубляют:
сухой воздух внутри помещений;
железобетонные стены, из которых выполнены многоэтажные здания.
Как создается статический заряд
Обычно физическое тело содержит в себе равное количество положительных и отрицательных частиц, за счет чего в нем создан баланс, обеспечивающий его нейтральное состояние. Когда оно нарушается, то тело приобретает электрический заряд определённого знака.
Под статикой подразумевают состояние покоя, когда тело не движется. Внутри его вещества может происходить поляризация - перемещение зарядов с одной части на другую или перенос их с рядом расположенного предмета.
Электризация веществ происходит за счет приобретения, удаления или разделения зарядов при:
взаимодействии материалов за счет сил трения или вращения;
резком температурном перепаде;
облучении различными способами;
разделении или разрезании физических тел.
Распределяются по поверхности предмета или на удалении от нее в несколько междуатомных расстояний. У незаземленных тел они распространяются по площади контактного слоя, а у подключенных к контуру земли стекают на него.
Приобретение статических зарядов телом и их стекание происходит одновременно. Электризация обеспечивается тогда, когда тело получает бо́льший потенциал энергии, чем расходует во внешнюю среду.
Из этого положения вытекает практический вывод: для защиты тела от статического электричества необходимо с него отводить приобретаемые заряды на контур земли.
Способы оценки статического электричества
Физические вещества по способности образовывать электрические заряды разных знаков при взаимодействии трением с другими телами, характеризуют по шкале трибоэлектрического эффекта. Часть их показана на картинке.
В качестве примера их взаимодействия можно привести следующие факты:
хождение в шерстяных носках или обуви с резиновой подошвой по сухому ковру может зарядить человеческое тело до 5÷-6 кВ;
корпус автомобиля, едущего по сухой дороге, приобретает потенциал до 10 кВ;
ремень привода, вращающий шкив, заряжается до 25 кВ.
Как видим, потенциал статического электричества достигает очень больших величин даже в бытовых условиях. Но он не причиняет нам большого вреда потому, что не обладает высокой мощностью, а его разряд проходит через высокое сопротивление контактных площадок и измеряется в долях миллиампера или чуть больше.
К тому же его значительно уменьшает влажность воздуха. Ее влияние на величину напряжения тела при контакте с различными материалами показано на графике.
Из его анализа следует вывод: во влажной среде статическое электричество проявляется меньше. Поэтому для борьбы с ним используют различные увлажнители воздуха.
В природе статическое электричество может достигать огромных величин. При перемещении облаков на дальние расстояния между ними скапливаются значительные потенциалы, которые проявляются молниями, энергии которых бывает достаточно для того, чтобы расколоть вдоль ствола вековое дерево или сжечь жилое здание.
При разряде статического электричества в быту мы чувствуем «пощипывания» пальцев, видим искры, исходящие от шерстяных вещей, ощущаем снижение бодрости, работоспособности. Ток, действию которого подвергается наш организм в быту, отрицательно сказывается на самочувствии, состоянии нервной системы, но он не приносит явных, видимых повреждений.
Производители измерительного промышленного оборудования выпускают приборы, позволяющие точно определить величину напряжения накопленных статических зарядов как на корпусах оборудования, так и на теле человека.
Как защититься от действия статического электричества в быту
Каждый из нас должен понимать процессы, которые образуют статические разряды, представляющие угрозу для нашего организма. Их следует знать и ограничивать. С этой целью проводятся различные обучающие мероприятия, включая популярные телепередачи для населения.
На них доступными средствами показываются способы создания статического напряжения, принципы его замера и методы выполнения профилактических мероприятий.
Например, учитывая трибоэлектрический эффект, лучше всего для расчесывания волос использовать расчески из натурального дерева, а не металла или пластика, как делает большинство людей. Древесина обладает нейтральными свойствами и при трении по волосам не образует заряды.
Для снятия статического потенциала с корпуса автомобиля при его движении по сухой дороге служат специальные ленты с антистатиком, крепящиеся к днищу. Различные их виды широко представлены в продаже.
Если такой защиты на автомобиле нет, то потенциал напряжения можно снимать кратковременным заземлением корпуса через металлический предмет, например, ключ зажигания автомобиля. Особенно важно выполнять эту процедуру перед заправкой топливом.
Когда на одежде из синтетических материлов накапливается статический заряд, то снять его можно обработкой паров из специального баллончика с составом «Антистатика». А вообще лучше меньше пользоваться подобными тканями и носить натуральные материалы из льна или хлопка.
Обувь с прорезиненной подошвой тоже споосбствует накапливанию зарядов. Достаточно положить в нее антистатические стельки из натуральных материалов, как вредное воздействие на организм будет снижено.
Влияние сухого воздуха, характерного для городских квартир в зимнее время, уже обговорено. Специальные увлажнители или даже небольшие куски смоченной материи, положенные на бытарею, улучшают обстановку, снижают процесс образования статического электричества. А вот регулярное выполнение влажной уборки в помещениях позволяет своевременно удалять наэлектризованные частички и пыль. Это один из лучших способов защиты.
Бытовые электрические приборы при работе тоже накапливают на корпусе статические заряды. Снижать их воздействие призвана система уравнивания потенциалов, подключаемая к общему контуру заземления здания. Даже простая акрилловая ванна или старая чугунная конструкция с такой же вставкой подвержена статике и требует защиты подобным способом.
Как выполняется защита от действия статического электричества на производстве
Факторы, снижающие работоспособность электронного оборудования
Разряды, возникающе при изготовлении полупроводниковых материалов, способны причинить большой вред, нарущить электрические характеристики приборов или вообще вывести их из строя.
В условиях производства разряд может носить случайный характер и зависеть от ряда различных факторов:
величин образовавшейся емкости;
энергии потенциала;
электрического сопротивления контактов;
вида переходных процессов;
других случайностей.
При этом в начальный момент порядка десяти наносекунд происходит возрастание тока разряда до максимума, а затем он снижается в течение 100÷300 нс.
Характер возникновения статического разряда на полупроводниковый прибор через тело оператора показан на картинке.
На величину тока оказывают влияние: емкость заряда, накопленного человеком, сопротивление его тела и контактных площадок.
При производстве электротехнического оборудования статический разряд может создаться и без участия оператора за счет образования контактов через заземленные поверхности.
В этом случае на ток разряда влияет емкость заряда, накопленная корпусом прибора и сопротивление образовавшихся контактных площадок. При этом на полупроводник в первоначальный момент одновременно влияют наведенный потенциал высокого напряжения и разрядный ток.
За счет такого комплексного воздействия повреждения могут быть:
1. явными, когда работоспособность элементов уменьшена до такой степени, что они становятся непригодными к эксплуатации;
2. скрытыми - за счет снижения выходных параметров, иногда даже укладывающихся в рамки установленных заводских характеристик.
Второй вид неисправностей обнаружить сложно: они сказываются чаще всего потерей работоспособности во время эксплуатации.
Пример подобного повреждения от действия высокого напряжения статики демонстрируют графики отклонения вольт амперных характеристик применительно к диоду КД522Д и интегральной микросхеме БИС КР1005ВИ1.
Коричневая линия под цифрой 1 показывает параметры полупроводниковых приборов до испытаний повышенным напряжением, а кривые с номером 2 и 3 - их снижение под действием увеличенного наведенного потенциала. В случае №3 оно имеет большее воздействие.
Причинами повреждений могут быть действия от:
завышенного наведенного напряжения, которое пробивает слой диэлектрика полупроводниковых приборов или нарушает структуру кристалла;
высокой плотности протекающего тока, вызывающей большую температуру, приводящую к расплавлению материалов и прожигу оксидного слоя;
испытания, электротермотренировки.
Скрытые повреждения могут сказаться на работоспособности не сразу, а через несколько месяцев или даже лет эксплуатации.
Способы выполнения защит от статического электричества на производстве
В зависимости от типа промышленного оборудования используют один из следующих методов сохранения работоспособности или их сочетания:
1. исключение образования электростатических зарядов;
2. блокирование их попадания на рабочее место;
3. повышение стойкости приборов и комплектующих приспособлений к действию разрядов.
Способы №1 и №2 позволяют выполнять защиту большой группы различных приборов в комплексе, а №3 - используется для отдельных устройств.
Высокая эффективность сохранения работоспособности оборудования достигается помещением его внутрь клетки Фарадея - огражденного со всех сторон пространства мелкоячеистой металлической сеткой, подключенной к контуру заземления. Внутри нее не проникают внешние электрические поля, а статическое магнитное - присутствует.
По этому принципу работают кабели с экранированной оболочкой.
Защиты от статики классифицируют по принципам исполнения на:
физико-механические;
химические;
конструкционно-технологические.
Первые два способа позволяют предотвратить или уменьшить процесс образования статических зарядов и увеличить скорость их стекания. Третий прием защищает приборы от воздействия зарядов, но он не влияет на их сток.
Улучшить стекание разрядов можно за счет:
создания коронирования;
повышения проводимости материалов, на которых накапливаются заряды.
Решают эти вопросы:
ионизацией воздуха;
повышением рабочих поверхностей;
подбором материалов с лучшей объемной проводимостью.
За счет их реализации создают подготовленные заранее магистрали для стекания статических зарядов на контур заземления, исключения их попадания на рабочие элементы приборов. При этом учитывают, что общее электрическое сопротивление созданного пути не должно превышать 10 Ом.
Если материалы обладают большим сопротивлением, то защиту выполняют другими способами. Иначе на поверхности начинают скапливаться заряды, которые могут разрядиться при контакте с землей.
Пример выполнения комплексной электростатической защиты рабочего места для оператора, занимающегося обслуживанием и наладкой электронных приборов, показан на картинке.
Поверхность стола через соединительный проводник и токопроводящий коврик подключена к контуру заземления с помощью специальных клемм. Оператор работает в специальной одежде, носит обувь с токопроводящей подошвой и сидит на стуле со специальным сидением. Все эти мероприятия позволяют качественно отводить скапливающиеся заряды на землю.
Работающие ионизаторы воздуха регулируют влажность, снижают потенциал статического электричества. При их использовании учитывают, что повышенное содержание паров воды в воздухе отрицательно влияет на здоровье людей. Поэтому ее стараются поддерживать на уровне порядка 40%.
Также эффективным способом может быть регулярное проветривание помещения или использование в нем системы вентиляции, когда воздух проходит через фильтры, ионизируется и смешивается, обеспечивая таким образом нейтрализацию возникающих зарядов.
Для снижения потенциала, накапливаемого телом человеком, могут применяться браслеты, дополняющие комплект антистатической одежды и обуви. Они состоят из токопроводящей полосы, которая крепится на руке с помощью пряжки. Последняя подключена к проводу заземления.
При этом способе ограничивают ток, протекающий через человеческий организм. Его величина не должна превышать один миллиампер. Бо́льшие значения могут причинять боль и создавать электротравмы.
Во время стекания заряда на землю важно обеспечить скорость его ухода за одну секунду. С этой целью применяют покрытия пола с малым электрическим сопротивлением.
При работе с полупроводниковыми платами и электронными блоками защита от повреждения статическим электричеством обеспечивается также:
принудительным шунтированием выводов электронных плат и блоков во время проверок;
использованием инструмента и паяльников с заземлёнными рабочими головками.
Емкости с легковоспламеняющимися жидкостями, расположенные на транспорте, заземляются с помощью металлической цепи. Даже фюзеляж самолета снабжается металлическими тросиками, которые при посадке работают защитой от статического электричества.
Статическое электричество - это совокупность электрических зарядов на поверхности материала, обычно изоляторах. Это электричество поэтому и называется статическим потому что нет никакого тока, протекающего, как обычно — переменного или постоянного тока. Для понимания статического электричества необходимо понять основы атомов и магнетизма. Все физические объекты состоят из атомов. Внутри атома находятся протоны, электроны и нейтроны. Протоны положительно заряжены, отрицательно заряжены электроны и нейтральные нейтроны.
Как правило, два материала участвуют в статическом электричестве, один, имеющий избыток электронов или отрицательных (−) зарядов на его поверхности и другой материал, имеющие избыток положительных (+) электрических зарядов. Атомы на поверхности материала, которые потеряли один или более электронов будет иметь положительный (+) электрический заряд, приобрели отрицательный (−).
Причины статического электричества
Статическое электричество обычно образуется, когда некоторые материалы втирается друг против друга - как шерсть по пластику или подошвы обуви по ковру. Это явление также возникает, если материалы прижимать друг к другу.
Материал, который теряет электроны приобретает избыток зарядов положительных (+). Материал, который получает электроны получает избыток отрицательных (−) зарядов на его поверхности. Статическое электричество образуется гораздо лучше, когда воздух сухой или низкая влажность. Когда воздух влажный, молекулы воды могут собираться на поверхности различных материалов. Это может препятствовать накоплению электрических зарядов. Это имеет отношение к форме молекулы воды и своих собственных электрических сил. Но когда есть экстремальные турбулентности между каплями воды, такие как в облаке гроза, статические электрические заряды могут накапливаться на каплях воды. Бенджамин Франклин с помощью летающих змей в шторм показал что статическое электричество образуется также в облаке во время грозы.
Свойства статического электричества
Статическое электричество может притягивать или отталкивать материалы друг друга. Это также может вызвать искру при переходе от одного материала к другому.
Типичным примером статического электричества является небольшой электрический ток, который может ощущаться, когда касаются дверной ручки во время сухой погоды.
Статическое электричество образуется, когда накапливаются дополнительные электроны (отрицательно заряженные частицы) и они сбрасываются.
Этот тип электроэнергии не двигается через провода, а накапливается на поверхности и передает заряды от одного элемента к другому. Популярные демонстрации этого обычно включают растирание воздушного шара по ткани, такой как вельветовые брюки, а затем помещают шар рядом со стеной, где шар самостоятельно может придерживаться.
Под данным термином принято понимать сохранение электрических зарядов на диэлектрических поверхностях. Статическое электричество является негативным явлением для жизни человека и работы электроаппаратов, т.к. искры, возникающие впоследствии, способны привести к пожарам и взрывам. Их энергии хватит для воспламенения пыли и газовоздушных смесей.
Разряд накопившегося на теле человека статического электричества
Заряд также накапливается и на теле человека при ношении синтетики и шерстяной одежды. Само по себе значение потенциала не более 7 кДж не опасно для здоровья человека, но может вызывать сильные сокращения мышц и даже судороги, и как следствие, падение с высоты, травматизм на рабочих местах.
Научно подтвержден факт благотворного воздействия хождения босиком по земле, что является снятием статического заряда с тела человека.
Наличие разрядов вблизи высокоточных приборов может вызывать нарушения в работе (устройства радиосвязи и др.).
Персонал, который постоянно подвергается влиянию электрических зарядов, чаще страдает хроническими заболеваниями нервной и сердечно-сосудистой систем.
У тех, кто работает в непосредственной близости с электрополем, часто возникают жалобы на чрезмерную раздражительность и головные боли, расстройство сна.
Причины возникновения
Возникает это физическое явление вследствие трения диэлектриков друг о друга или о металлы. На поверхностях начинают накапливаться заряды, которые способны удерживаться на большие промежутки времени. Интенсивность возникновения зарядов увеличивается пропорционально скорости трения, площади соприкосновения, приложенной силе и удельному сопротивлению материалов.
Второй причиной считают электроиндукцию, вследствие которой изолированные от земли поверхности накапливают заряженные частицы. Например, на металлических предметах, находящихся вблизи высоковольтных ЛЭП, может накапливаться статическое электричество в сухую погоду.
В химической отрасли явление наблюдается по время плавления пластичных материалов. В радиоэлектронике разряды возникают во время производства техники, где применяются диэлектрики. Такая же картина наблюдается при сматывании в рулоны бумаги, полиэтиленовой пленки, пересыпании и пневмотранспортировке диэлектриков (измельченного стекла, эбонита), перевозке жидкостей (бензина и аналогичных по составу). Дома это проявляется на экранах мониторов, на которых собирается большое количество протонов, вызванных электрическими пучками лучевой трубки.
Ситуации, где велика вероятность получить удар электрическим током
Разработан ряд технологий и средств защиты, направленных на минимизацию и предотвращение данного явления.
Уменьшение интенсивности зарядов
Мероприятия направлены на обеспечение безопасности технологических процессов:
- согласно действующим ГОСТам на производстве обеспечивается контроль скорости перемещаемого по трубам сырья;
- перед переработкой рабочие газы и жидкости должны быть очищены от примесей и посторонних взвесей;
- в процессах переработки и транспортировки недопустимо разбрызгивание жидкостей и газов;
- на производстве, где невозможно организовать естественное стекание статических зарядов, применяют закрытые транспортные системы (при пневмотранспортировке жидкостей, продувке оборудования).
Заземление электроприборов и токоведущих частей:
- согласно ПУЭ, действующим ГОСТам и СНиП, ЗУ электроустановок допускается объединять с заземляющими приспособлениями от статических зарядов;
- сопротивление ЗУ для защиты от статического электричества не должно быть больше 100 Ом;
- все электропроводящие поверхности и токоведущие части оборудования должны иметь качественное зануление;
- пневмотрубопроводы, вентиляционные шахты должны образовывать единую цепь, присоединенную к заземлителям через каждые 40 м, минимальное количество точек – 2 шт;
- в обязательном порядке отдельным ЗУ к общему контуру подключают аппараты, на поверхностях (внутри) которых может образовываться заряд: дробилки, распылители и др.;
- крупногабаритная тара подлежит заземлению корпуса в двух противоположных точках по ГОСТу;
- цистерны во время налива (слива) газов должны быть присоединены к ЗУ, которые, в свою очередь, должны располагаться вне взрывоопасных зон; разгерметизацию люков цистерн производят после присоединения корпуса к контуру заземления;
Заземление приборов с целью защиты человека от поражения электрическим током
- шланги, через которые наливаются сжиженные газы и жидкости, должны быть обвиты медными проволоками или тросами, диаметром не менее 4 мм. Проводник должен быть соединен одной стороной с краем шланга, а другим – к заземленной части существующего контура.
Снятие зарядов с твердых поверхностей
Процесс состоит в нейтрализации зарядов ионизацией воздуха вблизи технологического процесса. Согласно действующим ГОСТам, для этого применяют нейтрализаторы:
- во взрывоопасных цехах устанавливают радиоизотопные нейтрализаторы;
- для производства гигиенической продукции запрещено применение радиоизотопных нейтрализаторов, в таких случаях целесообразно применение индукционных или высоковольтных нейтрализаторов;
- если невозможно использовать индукционные нейтрализаторы, целесообразно применить нейтрализационные устройства скользящего разряда;
- если оборудование имеет сложные геометрические формы, и невозможно обеспечить отвод заряда стандартными методами, используют аэродинамические нейтрализаторы, посредством которых принудительно впрыскиваются ионы в необходимое пространство.
Заряды в газовых смесях
- для обеспечения безопасных условий, согласно действующим ГОСТам технологических процессов, необходимо применять предварительно очищенные от твердых частиц газы;
- оборудование должно иметь качественную герметизацию;
- недопустимо присутствие в газовых смесях металлических частиц и мелких деталей.
Снятие заряда с сыпучих материалов
- Согласно действующим ГОСТам, перерабатывать сыпучие материалы необходимо в металлических емкостях, или токопроводящих неметаллических.
- Порошкообразное сырье допускается транспортировать в схожих по составу трубопроводах (если это полимеры, то трубы должны быть из полиэтилена).
- В производственных помещениях влажность воздуха должна составлять не менее 65%. При невозможности организовать это условие, прибегают к ионизации воздуха.
- Для улучшения процесса стекания, рабочие поверхности пропитывают поверхностно-активными смазками.
- Запрещено производить выгрузку сыпучего сырья из целлюлозных, ПВХ и полиэтиленовых пакетов в емкости, температура жидкости в которых выше температуры их воспламенения. В таких случаях используют шнековые установки.
Во избежание возникновения взрывов (вследствие образования искры), следует предотвращать образование взрывоопасных смесей, не допускать скопления пыли, регулярно чистить оборудование от пылевоздушных смесей.
Правила защиты
Правила защиты от статического электричества в производствах химической промышленности:
- Устройства для снятия статического электротока должны быть установлены у входа в резервуары загрузочных трубопроводов.
- Для обеспечения безопасности технологического процесса, согласно действующим ГОСТам, применяют: индукционные нейтрализаторы, нейтрализаторы погружного типа, специальные насадки для направления потока, релаксационные емкости.
- Жидкости при загрузке (выгрузке) не должны разбрызгиваться.
Отвод зарядов с поверхностей передвижных составов, аппаратов и людей:
- Согласно действующим ГОСТам, передвижные составы должны быть изготовлены из электропроводящих материалов. Перемещение по территории выполняется на металлических погрузчиках.
- В помещениях, где происходит наполнение передвижных цистерн, пол выполняется из электропроводных материалов.
- Рабочие должны пребывать в помещении в антиэлектростатической обуви.
- Не допускается проведение работ в емкостях, внутри которых могут возникать взрывоопасные смеси, в рабочей одежде из синтетических волокон.
Отвод заряда от ременных передач:
- Согласно действующим ГОСТам, на производстве недопустимо использование подшипников, выполненных из нетокопроводящих элементов.
- Для повышения надежности работы электроаппаратов применяют электропроводящие смазки.
- В цехах, где нет возможности применить другие защитные меры, применяют нейтрализаторы.
- Недопустимо применение смазок типа воска, канифоли. Эти вещества способствуют увеличению поверхностного сопротивления электроустановок.
- Нельзя допускать загрязнение ремней маслом, и легковоспламеняющимися веществами.
- В цехах необходимо поддерживать влажность атмосферы не менее 70%, согласно нормативам.
Антенны, установленные на крыше, принято считать потенциально опасным оборудованием: на них скапливаются заряды от действия ветра и трения облаков. Поэтому на высотных зданиях, где поблизости нет соответствующих защит, необходимо сооружение качественного молниеотвода.
Проявление в быту
На ковровых покрытиях (из шерсти или синтетики) накапливаются заряды, под действием которых может возникнуть искра, и затем пожар.
Источники накопления статического электричества дома
Накопление пыли на поверхностях может стать причиной бытовых пожаров. Частое явление в регионах с тяжелой экологической ситуацией, вблизи металлургических и машиностроительных предприятий.
Для предотвращения вредного влияния статического электричества необходимо:
- предусмотреть в домах молниеотводы;
- предусмотреть в квартирах и домах зануление и заземление электропроводки;
- регулярно проводить тестирование электропроводки и электроприборов;
- регулярно проводить уборки в помещениях;
- не допускать пылевых скоплений на коврах и полках;
- во время строительно-монтажных и ремонтных работ соблюдать правила электро,- и пожаробезопасности.
Присутствие статического электричества в волосах
Видео про электричество
Как образуется статическое электричество и чем оно опасно, рассказывает видео ниже.
Защита от статического электричества обеспечивается современными технологиями на высоком уровне. Знания о явлении и поможет избежать негативного влияния на здоровье человека и аварийных ситуаций.
Статическое электричество —
это совокупность явлений,
связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного
электрического
заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых
веществ,
материалов изделий или на изолированных проводниках. Заряды
накапливаются на
оборудовании и материалах, а сопровождающие электрические разряды могут
явиться
причиной пожаров и взрывов, нарушения технологических процессов,
точности
показаний электрических приборов и средств автоматизации.
Особую
опасность в связи с накоплением статического электричества представляют
предприятия пищевых производств, на которых технологические процессы
связаны с
дроблением, измельчением и просеиванием продукта (хлебопекарные,
кондитерские,
крахмальные, сахарные и др.), с очисткой и переработкой зерна,
транспортированием твердых и жидких продуктов с помощью конвейеров и по
трубам
(склады бестарного хранения муки, пивоваренные, спиртовые заводы и Др.).
При
соприкосновении тел, различающихся по температуре, концентрации
заряженных
частиц, энергетическому состоянию атомов, шероховатости поверхности и
другим
параметрам, между ними происходит перераспределение электрических
зарядов. При
этом у поверхности раздела тел на одной из них концентрируются
положительные
заряды, а на другой отрицательные. Образуется двойной электрический
слой. В
процессе разделения контактирующих поверхностей часть зарядов
нейтрализуется, а
часть сохраняется на телах.
В
производственных условиях электризация различных веществ зависит от
многих
факторов, и прежде всего от физико-химических свойств перерабатываемых
веществ,
вида и характера технологического процесса. Величина
электростатического заряда
зависит от электропроводности материалов, их относительной
диэлектрической
проницаемости, скорости движения, характера контакта между
соприкасающимися
материалами, электрических свойств окружающей среды, относительной
влажности и
температуры воздуха. Особенно резко возрастает электризация
диэлектрических
материалов при удельном электрическом сопротивлении 109 Ом-м, а также
при
относительной влажности воздуха менее 50 %. При удельном сопротивлении
108 Ом-м
и менее электризация практически не обнаруживается. Степень
электризации
жидкостей в основном зависит от ее диэлектрических свойств и
кинематической
вязкости, скорости потока, диаметра и длины трубопровода, материала
трубопровода,
состояния его внутренних стенок, температуры жидкости. Интенсивность
образования зарядов наблюдается при фильтрации за счет большой площади
контакта
жидкости с элементами фильтра. Разбрызгивание жидкостей при заполнении
резервуаров свободно падающей струей горючей жидкости, например на
спиртовых
заводах, сопровождается электризацией капель, вследствие чего
появляется
опасность электрического заряда и воспламенение паров этих жидкостей.
Поэтому
налив жидкости в резервуары свободно падающей струей не допускается.
Расстояние
от конца загрузочной трубы до дна сосуда не должно превышать 200 мм, а
если это
невозможно, струю направляют вдоль стены.
Гели
напряженность электростатического поля над поверхностью диэлектрика
достигает критической (пробоиной) величины, возникает электрический
разряд. Для
воздуха пробивное напряжение примерно равно 30 кВ/см.
Электростатическая искро6езопасность —это такое состояние,
при котором
исключается возможность взрыва или пожара от статического
электричества.
Безопасная энергия искры (в Дж) определяется по формуле:
Wи=kб*Wmin
Где kб — коэффициент безопасности, применяемый
равным
0,4—0,5; Wmin—минимальная энергия, которая
может вызвать воспламенение
рассматриваемой горючей смеси.
За
предельно допустимое значение заряда принимается такое его значение,
при
котором максимально возможная энергия разряда Wи с поверхности
данного
вещества не превосходит 0,4—0,5 минимальной энергии
воспламенения окружающей
среды Wmin.
Энергию
разряда (искры) диэлектрика (в Дж) можно определить по формуле:
W=0,5*С*V
2
Где С — электрическая емкость, разряжаемая искрой, Ф; V
— разность потенциалов
относительно земли, В.
Минимальную энергию воспламенения газо- и паровоздушных смесей
составляют доли
миллиджоуля.
Разность
потенциалов на оборудовании может достигать нескольких тысяч вольт, и,
как следует из формулы, при этом даже при незначительной электрической
емкости,
несущей электростатический заряд, энергия разряда искры может превышать
минимальную энергию воспламенения взрывоопасной среды. Например, при
транспортировании сыпучих материалов на конвейере с резиновой лентой
потенциал
относительно земли может достигать 45 000 В, а кожаного приводного
ремня со
скоростью 15 м/с — до 80 000 В.
Электростатические заряды, достаточные для воспламенения практически
всех
взрывоопасных смесей воздуха с газами, парами и некоторыми пылями,
могут
накапливаться на человеке (одежда из синтетических тканей, передвижение
по
диэлектрикам, использование электронепроводящей обуви и т. п.), а также
переходить на него с наэлектризованного оборудования и материалов.
Потенциал
электростатического заряда на человеке может достигать 15
000—20 000
В. Разряды такого потенциала не представляют опасности для человека,
так как
сила тока ничтожно мала и ощущается как укол,
толчем: или судорога.
Однако под их воздействием возможны рефлекторные движения, что может
привести к
падению с высоты, попаданию в опасную зону машины и др.
Энергия
разряда при потенциале 10 000 В и емкости человека, изменяющейся от 100
до 350 пФ, составляет 5—17,5 мДж. т. е. превышает значения
минимальной энергии
воспламенения этилового спирта, бензола и сероуглерода (0,95; 0,2;
0,0009 мДж
соответственно).
Меры
защиты от статического электричества разделяются на три основные группы:
- предупреждающие возможность возникновения электростатического заряда;
- снижающие величину потенциала электростатического заряда до безопасного уровня;
- нейтрализующие заряды статического электричества.
Основным способом предупреждения
возникновения электростатического заряда
является постоянный отвод статического электричества от
технологического
оборудования с помощью заземления. Каждую систему аппаратов и
трубопроводов
заземляют не менее чем в двух места. Резиновые шланги обвиваются
заземленной
медной проволокой с шагом 10 см. Следует иметь в виду, что в отличие от
электротехники, где хорошими проводниками считаются материалы с
удельным
сопротивлением, оцениваемым долями Ома, в электростатике границей
проводника и
непроводника считается величина удельного сопротивления 10 кОм*м.
Поэтому
предельно допустимое сопротивление заземляющего устройства,
используемого
только для отвода электростатического заряда, не должно превышать 100
Ом.
Для
предупреждения образования статического электричества на элементах
металлических конструкций, трубопроводах разного назначения,
расположенных на
расстоянии менее 10 см параллельно друг друга, применяются замкнутые
контуры,
создаваемые с помощью устанавливаемых между ними металлических
заземленных
перемычек через каждые 20 м и менее.
Для
снижения величины потенциала электростатического заряда, образующегося
на
оборудовании и перерабатываемых материалах, до безопасного уровня
применяются
технологические способы (безопасные скорости движения транспортируемых
жидких и
пылевидных веществ, подбор поверхностей трения, материалов взаимно
компенсирующих возникающих зарядов и Т. п.), а также способы отвода
путем
повышения относительной влажности воздуха и материала, химической
обработки
поверхности, нанесения антистатических веществ и электропроводных
пленок. Общее
или местное увлажнение воздуха более 70 % обеспечивает постоянный отвод
электростатических зарядов. Поверхностная проводимость материалов
увеличивается
обработкой поверхностно-активными веществами, использованием покрытий
из
электропроводящих эмалей, смазок. Заряды статического электричества
нейтрализуются с помощью ионизации воздуха, при которой образующееся в
единице
его объема число пар ионов соответствует скорости возникновения
нейтрализуемых
электростатических зарядов. Для этого используются индукционные,
радиоизотопные
и комбинированные ионизаторы.
Для
непрерывного снятия электростатических зарядов с человека используются
электропроводящие полы, заземленные зоны или рабочие площадки,
оборудование,
трапы, а также средства индивидуальной зашиты в виде
антиэлектростатических
халатов и обуви, с кожаной подошвой или подошвой из электропроводной
резины.
Феномен статического электричества известен давно, и каждый из нас сталкивается с проявлениями его почти ежедневно. При одевании или снимании одежды из синтетического материала, контакте с экраном телевизора или компьютера зачастую возникает ощутимый электрический разряд. В современном мире эффект статического электричества получил широкое практическое применение (печатные и копировальные аппараты, окраска). Однако разряд статического электричества может привести и к трагическим последствиям.
Впервые возможности статического электричества вызывать возникновение взрыва и пожара были обнаружены в 1893 г. американцем Рихтером, который пытался улучшить процесс сухой химчистки одежды и попробовал ввести порошок магнезии в бензол, используемый в процессе чистки, для увеличения его токопроводности.
В топливной и химической индустрии проблему возникновения зарядов статического электричества начали глубоко изучать В начале 30-х гг., после нескольких взрывов на заводах компании SHELL. На морском же транспорте изучением этой проблемы занялись несколько позже, в середине 60-х гг., опять же после серии взрывов на танкерах, которые перевозили сырую нефть. Были проведены фундаментальные исследования в области возникновения зарядов статического электричества на танкерах при различных технологических операциях и определены международные требования по предотвращению образования электростатических разрядов.
Рассмотрим природу образования электростатического заряда.
Причины возникновения зарядов статического электричества. Существует три этапа, последовательно приводящих к возникновению опасности воспламенения горючих смесей при воздействии статического электричества, а именно:
Разделение заряда;
Накопление заряда;
Разряд статического электричества.
Известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы - электроны. Сумма всех отрицательных зарядов в теле по абсолютному значению равна сумме всех положительных зарядов в нем, поэтому в целом тело электрически нейтрально и не имеет заряда.
Электроны, находящиеся на периферийных орбитах атома, могут сравнительно легко покидать свое место и переходить на орбиты атомов другого тела или вещества. Тот атом, который потеряет электроны, будет испытывать их недостаток и получит положительный заряд. Атом-же, на орбиты которого перейдет оторвавшийся электрон, будет иметь избыток электронов, а заряд его станет отрицательным. Иначе говоря, при перемещении электронов с орбиты одного атома на орбиту другого происходит перераспределение зарядов, и при этом один атом получает положительный заряд, а другой отрицательный. Такие заряженные атомы называются ионами.
При электризации тел заряды не создаются, а только разделяются: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
Например, при трении эбонитовой палочки о шерсть, эбонит получает отрицательный заряд, а шерсть заряжается положительно.
Перетекшие электронов происходит только в случае взаимодействия атомов с различной плотностью электронов.
Всякий раз, когда в контакт входят два неоднородных материала, на поверхности, разделяющей эти материалы, происходит разделение заряда. Эта поверхность может разделять два твердых тела, твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости. На поверхности раздела заряд одного знака, например положительного, перемещается от материала А к материалу В таким образом, что эти материалы становятся соответственно положительно и отрицательно заряженными. Пока материалы А и В неподвижны и контактируют друг с другом, заряды находятся чрезвычайно близко друг к другу. В таком случае незначительная разность потенциалов между зарядами противоположного знака не представляет какой-либо угрозы.
Интенсивное разделение зарядов происходит в результате таких действий, как:
Прохождение потока жидкости через трубы или мелкоячеистые фильтры,
Осаждение частиц твердого тела или несмешивающейся жидкости через другую жидкость,
Выброс мелких капель или частиц из сопла,
Всплескивание или взбалтывание жидкости при ее соприкосновении с твердой поверхностью,
Сильное трение друг о друга некоторых материалов.
Когда заряды разъединяются, между ними образуется большая разность потенциалов. При этом в окружающем пространстве также происходит распределение разности потенциалов, иначе говоря, формируется электрическое поле (т. е. во время мойки танка при распылении жидкости электростатическое поле возникает во всем объеме танка).
Если в электростатическое поле поместить незаряженный проводник, то он получит примерно такой же потенциал, как и поле, в котором он находится. Более того, поле приводит в движение заряды внутри проводника, заряд одного знака притягивается полем к одному концу проводника, на другом же конце проводника формируется равный по величине заряд противоположного знака. Заряды, разделенные таким образом, называются индуцированными, они накапливаются в электростатическом поле.
Заряд может возникать и там, где не происходит непосредственного контакта между заряженными телами, а также при воздействии на материал другого заряженного тела, что вызывает формирование положительных и отрицательных ионов. Например, при прохождении грозового облака над высоким зданием или судном, в последних формируются положительные и отрицательные ионы, хотя непосредственного контакта между материалами или зарядами не было. Это приводит к тому, что одно и то же вещество или тело может нести противоположные заряды.
Вокруг заряженного тела происходит формирование электрического поля, своего рода отображение пространства вокруг заряженного тела. В двух противоположных точках электрического поля определяется разность потенциалов в вольтах. Напряженность электрвстатнческвге пвля впределяется в вольтах на метр (В/м).
В однородном электрическом поле напряженность поля определяется как разность потенциала на метр. Величина напряженности поля определяет возможность возникновения разряда. В сухом воздухе искровой электрический разряд может произойти при величине напряженности электрического поля около 3 000 000 В/м. Однако если поместить в поле заземленный проводник, то даже при слабой напряженности поля можно получить значительный электрический разряд.
Накопление заряда. Ранее разделенные заряды стремятся вновь соединиться между собой и нейтрализовать друг друга. Этот процесс известен как релаксация заряда. Если один из материалов или оба эти материала, несущие электростатический заряд, обладают низкой токопроводностыо, то повторное соединение зарядов затруднено и данный материал аккумулирует (накапливает) заряд на себе.
Время, в течение которого сохраняется заряд, характеризуется временем релаксации
данного материала, которое соотносится с его токопроводностью. Чем меньше токопроводность
материала, тем больше период релаксации заряда.
Если же проводимость материала высока, то заряды соединяются очень быстро, тем самым препятствуя процессу их разъединения, в результате чего происходит очень незначительное аккумулирование заряда или же он не аккумулируется совсем. Материал с такой проводимостью может сохранять или аккумулировать заряд только в том случае, если он окружен диэлектриком. При этом скорость потери им заряда будет зависеть от времени релаксации диэлектрика.
Можно сказать, что наиболее важным фактором, определяющим время релаксации материала, является его электропроводность.
Все материалы по степени их токопроводиости условно можно разделить на три основные группы.
Первая группа - проводники. К твердым проводникам относится большинство металлов, а к жидким - целый диапазон водных растворов солей, включая морскую воду. Человеческое тело, более чем на 60% состоящее из воды, также является проводником электрического тока. К важным свойствам жидких проводников относится не только их неспособность удерживать электрический заряд, если они не изолированы, но и почти мгновенное разряжение, если они изолированы и существует возможность электрического разряда. Иными словами, полученный заряд распространяется равномерно по всему материалу, а при соприкосновении с заземлением мгновенно исчезает.
Очень часто разряды между двумя проводниками происходят в виде искры, в таком случае они гораздо опаснее, чем разряды, возникающие между проводником и диэлектриком. При релаксации заряда между проводником и диэлектриком возникают не искровые, а коронные или кистевые разряды.
Вторая группа - диэлектрики или изоляторы. Если заряд возникает только в месте соприкосновения или разъединения материалов, то такие материалы называются диэлектриками.
Заряженные диэлектрики доставляют заряд в место, где может произойти непосредственный контакт заряда с проводником. Сильно заряженные диэлектрики могут непосредственно инициировать воспламеняющие искры. Жидкости рассматриваются как диэлектрики, если их проводимость менее 50 пикоСименсов на метр (пСм/м) с периодом релаксации не более 0,35 с. Такие жидкости зачастую называют аккумулирующими статическое электричество. К ним относятся чистые нефти и чистые нефтепродукты (дистилляты), сжиженные газы.
Третья группа представляет собой ряд жидкостей и твердых материалов с промежуточной токопроводностью. Яркий пример - темные нефти, сырые нефти, спирты, ацетон и др.
Когда напряженность электрического поля достигаетопределенной величины, может произойти разряд поля, который имеет различные формы. Для воспламенения паровоздушной смеси необходимо, чтобы электростатический разряд был достаточно мощным. Было установлено, что для воспламенения паровоздушной смеси пропана достаточно, чтобы между электродами произошел разряд с выделением энергии в 0,2 мДж, а для воспламенения паровоздушной смеси аммиака потребуется разряд в 600 раз мощнее.
Существуют следующие формы электростатических разрядов.
Корона - ионное излучение голубоватого цвета. Его можно увидеть на острых углах или вантах при некоторых погодных условиях. Это сияние известно под названием «Огни Святого Эльма». Такое излучение не несет в себе достаточно энергии для возникновения пламени.
Северное, или полярное, сияние - это слабые лучи, сформированные из очень маленьких искр, испускаемых заряженными острыми углами или выступами конструкций в направлении заряженных облаков или тумана. Такое свечение может возникнуть в танках супертанкеров, оно также не несет в себе достаточной энергии для возникновения пламени.
Искра возникает только в том случае, если напряженность электрического поля достигает некоторой критической величины. Ионный луч увеличивается с повышением напряженности поля, и конечный результат такого увеличения - возникновение настоящей искры. При большой напряженности поля образуется разряд, более известный как молния. Однако если мы поместим в электрическое поле заземленный проводник, то возникнет искровой разряд, достаточный для воспламенения смеси даже при малых величинах напряженности поля.
