SERVICE | Статическое электричество: Польза и Вред.

Статическое электричество: Польза и Вред.

 Проблемы со статическим электричеством возникают во многих отраслях производства , будь то полиграфия, упаковка, деревообработка, фармацевтика, производство пластика, текстиля.

Мы сталкиваемся с ним постоянно в быту и на производстве, но что же это такое?

Пройдемся по основам:

Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов.

А те в свою очередь из протонов (+) и электронов (-).

При сдавливании, трении и последующем разделении материалов одни вещества теряют электроны и становятся положительно заряженными, другие приобретают их и становятся отрицательно заряженными.

 

Воздух, человеческое тело, стекло, шерсть, бумага —  имеют тенденцию к накапливанию положительного заряда. А резина, силикон, полимеры — отрицательного.

Факторы влияющие на величину заряда

Чем больше давление и скорость разделения материалов, тем больше заряд.

Проблемы со статикой обостряются в зимний период  при низкой влажности.

Величина заряда

 Если заряд не мешает производственному процессу, его определяют как низкий статический заряд. Обычно его значение располагается в диапазоне от 2-5 кВ (по показаниям измерителя статики). Для некоторых производств и 10 кВ не представляет особой проблемы, но это редкость.

 Обычно мы руководствуемся следующими показаниями:

0-2 кВ – проблем не возникает

2-5 кВ – возможны некоторые проблемы

5-10 – значительные проблемы

Больше 10 кВ – совсем проблематично

Но это все очень приблизительно, и главным образом зависит от области производства.

Например при производстве микроэлектроники критическими могут быть заряды в сотню вольт.

Измерительные приборы

Сейчас в распоряжении технологов есть компактные измерительные приборы, для определения проблемных мест, связанных со статикой.

Такие приборы позволяют технологу, без помощи приглашенных специалистов, определить проблемные места и эффективно использовать антистатическое оборудование.

Измеритель статики так же может выступать арбитром в споре с заказчиком, когда производителя обвиняют в том, что поставляемый материал излишне заряжен. На самом деле проблема может быть на оборудовании потребителя.

Польза и вред от статики

 Вред: 

 Заряженный материал притягивает пыль и другой мусор, что мешает выпуску качественной продукции. Особенно актуально это перед печатью или покраской. Накопленная статика причиняет неудобство обслуживающему персоналу, может привести к искровому разряду, что бывает критично для пожаро- и взрывоопасных производств. 

Как мы знаем, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Продукция может слипаться — это будет мешать производственному процессу. Статика может мешать маркираторам, электронным весам.

Но статика может приносить пользу.

Так при ламинации мдф/дсп статику используют для фиксации пленки на заготовке, перед тем как она попадет в пресс. Этим уменьшается процент брака, вызванный тем, что пленка иногда соскальзывает в процессе транспортировки.

Нанесение статического заряда позволяет делать более плотные пачки журналов, стопки паркета, позволяет их транспортировать по конвейеру без обвязки.

С помощью заряжающих электродов достигается более плотное прилегание  материала к охлаждающим валам, фиксация кромки рулона для более ровной намотки и т.п.

С помощью статики переносится этикетка в форму термопластавтомата и фиксируется там – так получают вплавляемую  этикетку (IML –In Mould Label).

Статика используется при технологии порошковой окраски, смешивании сыпучих веществ.

Средства и методы борьбы со статикой

 Иногда для материалов (бумага, натуральные ткани), способных впитывать влагу, проблему со статикой удается решить повышением влажности или смачиванием. 

Но основным эффективным средством борьбы со статическим электричеством является –  активная ионизация (обдув ионизированным воздухом).

Антистатическая планка представляет собой планку с иголками из специального сплава, на концах которых, под  действием высоковольтных генераторов переменного тока (4-7кВ) молекулы воздуха распадаются на положительные и отрицательные ионы. Заряженный положительно материал отбирает из воздуха отрицательные ионы и становится нейтрально заряженным, и наоборот.  Снятие статики возможно на расстоянии до 1000 мм.

Если расстояние до материала колеблется или для обработки трехмерных объектов используют воздушные ножи и ионизирующие компрессоры.

 

 

Воздушный нож – это антистатическая планка, совмещенная с профилем, через который проходит сжатый воздух до 10 бар. Им возможно не только снять статику, но и сдуть загрязнения. Снятие статики возможно на расстоянии до 1500 мм, очистка поверхности  — до 300 мм. 

Ионизирующий компрессор – воздушный нагнетатель, совмещенный с антистатической планкой, для обработки трехмерных объектов или для ионизации на расстоянии до 2000 мм.

Для придания заряда материалу используются генераторы до 60 кВ и заряжающие планки и электроды.

SIMCO

 С 40-х годов прошлого века, когда синтетические волокна стали производиться промышленным методом, компания Simco-Ion совершенствует свое оборудование по контролю статического электричества для достижения оптимального результата. За это время накопились  решения для самых разных отраслей.

 Если у Вас остались вопросы, возникли проблемы со статическим электричеством, или Вы хотели бы использовать статику для улучшения производства — обратитесь к нашим специалистам (495) 626-22-80.  Будем рады поделиться знаниями и выработаем совместное решение.

что это такое, польза и вред статического напряжения

Понятие о статическом электричестве знакомо всем из школьного курса физики. Статическое электричество возникает в процессе появления зарядов на проводниках, поверхностях различных предметов. Появляются они в результате трения, возникающего при соприкосновении предметов.

Что это такое — статическое электричество

Все вещества состоят из атомов. В атоме находится ядро, вокруг которого расположены в одинаковом количестве электроны и протоны. Они способны перемещаться из одного атома в другой. При движении формируются отрицательные и положительные ионы. Их дисбаланс приводит к тому, что возникает статика. Статический заряд протонов и электронов в атоме одинаков, но имеет разную полярность.

Статика появляется в быту. Статический разряд может происходить при низких токах, но высоких напряжениях. Опасности для людей в этом случае нет, но разряд опасен для электроприборов. Во время разряда страдают микропроцессоры, транзисторы и другие элементы схемы.

Причины возникновения статистического электричества

Возникает статика при следующих состояниях:

• контакте или удалении друг от друга двух разных материалов;
• резких перепадах температуры;
• радиации, УФ-излучении, рентгеновских лучах;
• работе бумагорезательной машины и раскроечных станков.

Статика часто возникает во время грозы или перед ней. Грозовые облака при движении по воздуху, насыщенному влагой, образуют статическое электричество. Разряд происходит между облаком и землей, между отдельными облаками. Устройство молниеотводов помогает провести заряд в землю. Грозовые облака создают электрический потенциал на металлических предметах, вызывающих легкие удары при прикосновении к ним. Для человека удар не опасен, но мощная искра способна вызвать возгорание некоторых предметов.

Каждый житель неоднократно слышал треск, который раздается при снятии одежды, удар от прикосновения к автомобилю. Это является следствием появления статики. Электроразряд чувствуется при нарезании бумаги, расчесывании волос, при переливании бензина. Свободные заряды сопровождают человека везде. Использование различных электрических устройств увеличивает их появление. Они возникают при пересыпании и измельчении твердых продуктов, перекачивании или переливании горючих жидкостей, при перевозке их в цистернах, при сматывании бумаги, тканей и пленки.

Заряд появляется в результате электрической индукции. На металлических корпусах автомобилей в сухое время года создаются большие электрические заряды. Экран телевизора или монитор компьютера способен заряжаться от воздействия луча, создаваемого в электронно-лучевой трубке.

Вред и польза от статистического электричества

Статический заряд пытались использовать многие ученые и изобретатели. Создавались громоздкие агрегаты, польза от которых была низкой. Полезным оказалось открытие учеными коронного разряда. Он широко используется в промышленности. С помощью электростатического заряда красят сложные поверхности, очищают газы от примесей. Все это хорошо, но существуют и многочисленные проблемы. Электроудары бывают большой мощности. Они способны иногда поражать человека. Это случается и дома, и на рабочем месте.

Вред статического электричества проявляется в ударах разной мощности при снятии синтетического свитера, при выходе из автомобиля, включении и выключении кухонного комбайна и пылесоса, ноутбука и микроволновой печи. Эти удары могут оказаться вредными.

Возникает статическое электричество, которое сказывается на работе сердечно-сосудистой и нервной систем. От него следует защищаться. Сам человек тоже часто является переносчиком зарядов. При соприкосновении с поверхностями электроприборов происходит их электризация. Если это контрольно-измерительный прибор, дело может окончиться его поломкой.

Ток разряда, принесенного человеком, своим теплом разрушает соединения, разрывает дорожки микросхем, уничтожает пленку полевых транзисторов. В результате схема приходит в негодность. Чаще всего это происходит не сразу, а на любом этапе в процессе работы инструмента.

На предприятиях, обрабатывающих бумагу, пластмассу, текстиль, материалы часто ведут себя неправильно. Они склеиваются друг с другом, прилипают к различным видам оборудования, отталкиваются, собирают много пыли на себя, наматываются неправильно на катушки или бобины. Виной этого является возникновение статического электричества. Два одинаковых по полярности заряда отталкиваются друг от друга. Иные, один из которых заряжен положительно, а другой — отрицательно, притягиваются. Так же ведут себя и заряженные материалы.

На полиграфических предприятиях и в других местах, где используются в работе легковоспламеняющиеся растворители, возможно возникновение пожара. Это происходит в тех случаях, когда на операторе надета обувь с токонепроводящей подошвой, а оборудование не имеет правильного заземления. Способность возгорания зависит от следующих факторов:

• типа разряда;
• мощности разряда;
• источника статического разряда;
• энергии;
• наличия поблизости растворителей или других горючих жидкостей.

Разряды бывают искровыми, кистевыми, скользящими кистевыми. От человека исходит искровой разряд. Кистевой возникает на заостренных частях оборудования. Энергия его настолько мала, что он практически не вызывает угрозы пожара. Кистевой разряд скользящий возникает на листовых синтетических, а также на рулонных материалах с разными зарядами на каждой стороне полотна. Опасность он представляет такую же, как искровой разряд.

Поражающая способность — главный вопрос для специалистов по технике безопасности. Если человек держится за бобину и сам находится в зоне напряжения, его тело тоже зарядится. Для снятия заряда нужно обязательно прикоснуться к заземлению или к заземленному оборудованию. Только тогда заряд уйдет в землю. Но человек при этом получит сильный или слабый электрический удар. В результате происходят рефлекторные движения, которые иногда приводят к травме.

Длительное пребывание в заряженной зоне приводит к раздражительности человека, к снижению аппетита, ухудшению сна.

Пыль из производственного помещения удаляется с помощью вентиляции. Она скапливается в трубах и может воспламениться от статистического искрового разряда.

Как снять статическое электричество с человека

Самое простейшее средство защиты от него — заземление оборудования. В условиях производства используются для этой цели экраны и иные приспособления. В жидких веществах применяются специальные растворители и присадки. Активно используются антистатические растворы. Это вещества с низкой молекулярной массой. Молекулы в антистатике легко перемещаются и вступают в реакцию с влагой, содержащейся в воздухе. За счет этой характеристики с человека снимается статика.

Если обувь оператора на токонепроводящей подошве, он должен обязательно прикоснуться к заземлению. Тогда уход статического тока в землю нельзя будет остановить, но человек получит сильный или слабый удар. Действие статического тока мы чувствуем после ходьбы по коврам и паласам. Удары током получают водители, выходящие из машины. От этой проблемы избавиться легко: достаточно прикоснуться к двери рукой, сидя на месте. Заряд стечет в землю.

Хорошо помогает проведение ионизации. Делается это с помощью антистатической планки. Она имеет много иголок из специальных сплавов. Под действием тока в 4-7кВ воздух вокруг разлагается на ионы. Используются и воздушные ножи. Они представляют собой антистатическую планку, через которую вдувается воздух и очищает поверхность. Заряды статики активно образуются при разбрызгивании жидкостей, обладающих диэлектрическими свойствами. Поэтому для снижения действия электронов нельзя допускать падающей струи.

Желательно использовать антистатический линолеум на полу и чаще проводить уборку с помощью средств бытовой химии. На предприятиях, связанных с обработкой тканей или бумаги, проблему избавления от статики решают смачиванием материалов. Повышение влажности не дает накапливаться вредному электричеству.

Чтобы снять статику, необходимо:

• увлажнять воздух в помещении;
• обрабатывать ковры и паласы антистатиками;
• протирать сиденья в машине и в комнатах антистатическими салфетками;
• чаще увлажнять кожу на себе;
• отказаться от синтетической одежды;
• носить обувь на кожаной подошве;
• предотвращать появление статики на белье после стирки.

Хорошо увлажняют атмосферу комнатные цветы, кипящий чайник, специальные приспособления. Антистатические составы продаются в магазинах бытовой химии. Они распыляются над ковровой поверхностью. Можно изготовить антистатик самостоятельно. Для этого берут смягчитель ткани (1 колпачок), выливают в бутылку. Затем емкость наполняется чистой водой, которую разбрызгивают над поверхностью ковра. Салфетки, смоченные антистатиком, нейтрализуют заряды на обивке сидений.

Увлажнение кожи производится лосьоном после душа. Руки протираются несколько раз в день. Следует поменять одежду на натуральную. Если она заряжается, обработать антистатиками. Рекомендуется носить обувь с кожаной подошвой или ходить по дому босиком. Перед стиркой желательно насыпать на одежду ¼ стакана соды (пищевой). Она снимает разряды электричества и смягчает ткань. При полоскании белья можно добавить в машину уксус (¼ стакана). Сушить белье лучше на свежем воздухе.

Все перечисленные меры помогают нейтрализовать статические проблемы.

Статическое электричество: опасность и польза

Статическое напряжение приносит пользу, а иногда и неприятности. Попробуем разобраться почему. На дружеской вечеринке смешайте в чашке ложку соли и щепотку перца. Попросите друзей разделить смесь на составляющие. После бесполезных попыток продемонстрируйте им небольшой эксперимент. Расчешите волосы пластиковой расческой, а затем дотроньтесь ею до содержимого чашки. Частицы перца сами выскочат из емкости. В основе этого забавного опыта лежит интересное явление статического электричества.

Просто о сложном

Под словом «электричество» ученые подразумевают взаимодействие электрических зарядов. Их движение упорядочено, чтобы люди могли пользоваться разнообразными приборами и механизмами: от чайника до троллейбуса. Статическое электричество не спешит запускать в работу холодильник или мобильный телефон. Оно находится в состоянии релаксации. То есть, свободный заряд сохраняется, пока не возникнут условия для движения. Это довольно просто: представьте пожарного, который ждет сообщения о возгорании жилого дома.

Как открыли статическое электричество

Примерно восемь тысяч лет назад наши предки приручили диких коз и овец. Они заметили, что изделия из шерсти обладают необычной способностью накапливать заряд. Впервые понятие о статическом электричестве пытался сформулировать древнегреческий математик Фалес. Для своих опытов он использовал янтарь. Камень притягивает мелкие легкие частицы, если натереть его шерстяной тканью. Тогда из этого явления не смогли извлечь пользу. Электрон по-гречески янтарь. В честь него гораздо позже назвали элементарную частицу с отрицательным зарядом.

Спустя две тысячи лет придворный врач английской королевы Уильям Гилберт описывает, что такое статическое электричество. В своём научном труде по физике он подчеркивает родственную природу электричества и явления магнетизма. Исследования британца стали началом для подробного изучения темы среди коллег в Европе. Более четкое понятие о статическом электричестве дал опыт Отто фон Герике. Немец собрал первый электростатический механизм. Это был шар из серы на железном стержне. В результате ученый узнал, что предметы под воздействием электричества могут не только притягиваться, но и отталкиваться друг от друга.

Немного науки

Сегодня причины возникновения статического электричества хорошо изучены. Это явление наблюдается на поверхностях некоторых предметов в результате взаимодействия с другими материалами. Сила заряда и его способность сохраняться зависят от их свойств и состава. Самый простой пример взаимодействия тел – трение. Чем интенсивнее и быстрее девушка расчёсывает волосы, тем сильнее образуется заряд. Статическое электричество окружает людей повсюду, но они замечают его не всегда. Электростатические заряды образуются в солнечную погоду при передвижении на автомобиле. Они накапливаются от напряжения, которое возникает между асфальтом и кузовом. Если водитель не использует антистатик, это приведет к искре.

На языке физиков такой процесс называется электролизация. Она возникает при трении двух разных материалов – диэлектриков, которые слабо проводят электрический ток. Если у диэлектриков одинаковые характеристики, то заряд не образуется. Другой вариант как получить статическое электричество – взаимодействие диэлектрика и заизолированного проводника. То есть при условии, что проводник не может поделиться полученной электростатической энергией с другим предметом.

Опасность статического электричества

Большинство явлений статического электричества в повседневной жизни человек просто не замечает. Незначительные неприятности могут возникнуть при использовании одежды из шерсти или синтетики. Величины токов в этом случае очень небольшие и не оставляют травм. На бытовом уровне это вполне безопасно. Сложности появляются, когда речь заходит о промышленном производстве, предприятиях перерабатывающей отрасли или машиностроения. В больших количествах электростатические заряды присутствуют на производстве. Станки, сепараторы, ленты транспортера могут обладать значительным потенциалом.

Если таких факторов много, образуется электрическое поле с высокими показателями напряженности. В этой обстановке находится не только некомфортно, но и опасно для здоровья. Главная причина для беспокойства в условиях опасного производства — пожарная опасность статического напряжения. На поверхности оборудования или одежды может накопиться большой заряд. Речь идет о работе с легковоспламеняющимися жидкостями, горючими газами и взрывоопасными смесями. Искра может стать причиной серьезной аварии.

Защита от статического электричества

Чтобы избежать неблагоприятного воздействия этого явления, разработан государственный стандарт показателя напряженности электростатических полей. Его максимально допустимый уровень 60 кВ/м в час. Они могут изменяться от времени нахождения рабочего в опасном помещении. Измерить уровень заряда статического электричества – задача для профессионала. Ключевым показателем является зависимость сопротивления поля (его способность препятствовать прохождению тока) и его напряженности (отношение силы поля к величине заряда). На этом основывается работа измерительных приборов.

Влияние статического электричества на организм человека может быть губительным и вызывает различные заболевания, в том числе психические. Если говорить о производственной безопасности в целом, основных способов борьбы два:

1. Снижение возможности образования электростатических зарядов.
2. Устранение накопления электростатических зарядов.

Чтобы уменьшить трение – детали оборудования шлифуют и смазывают. Для изготовления механизмов применяются одинаковые материалы. Избавиться от зарядов можно с помощью заземления станков.

Статическое электричество может сыграть злую шутку при распылении или разбрызгивании жидкостей с низкими показателями проводимости тока. Это чревато их воспламенением.

Проблема решается использование специальной тары и условиями обработки. К индивидуальным средствам защиты от статического напряжения можно отнести несколько наименований:

1. Специальная одежда (штаны и куртка).
2. Обувь с подошвой, обеспечивающей изоляцию.
3. Перчатки.
4. Браслеты для снятия диэлектрического напряжения.

Нет худа без добра

Статическое электричество приносит не только вред, но и пользу. С развитием технологий, люди приручили статическое напряжение и научились извлекать из него выгоду. Так явление успешно используется при ламининации пиломатериалов, в бумажной промышленности. Накопленный заряд помогает при изготовлении и нанесении этикеток и при качественной порошковой покраске автомобилей.

 

Как влияет статическое электричество на здоровье человека

Со статическим электричеством, то есть электричеством, возникшим от трения, так или иначе, сталкивался любой человек в повседневной жизни, пишет toneto.net.

Аккумуляторам конец: гаджеты будут заряжаться от трения

Волосы, прилипшие к расчёске, потрескивающая одежда, пылевой слой на экране телевизора, резкое покалывание в пальце от случайного прикосновения к предмету.

В окружении статического электричества мы находимся постоянно – в повседневной жизни, в быту, на производстве, в офисе.Так насколько же негативно отражается на здоровье человека данный вид электричества и как можно избавиться от него доступными способами?

Влияние на здоровье

На сегодняшний день влияние статического электричества на здоровье и иммунную систему человека не исследовано в полной мере.

Но на основе уже проведённых исследований можно классифицировать негативные воздействия на организм человека в случае долговременного нахождения в поле статистического заряда:

— функциональные нарушения в Центральной Нервной Системе;- спазм сосудов, способный вызвать повышение артериального давления;

— чрезмерная эмоциональность и раздражительность;

— головные боли;

— нарушения аппетита и сна;

— возникновение фобий, постоянная боязнь вновь получить электрический разряд и ту боль, которая за ним последует.

Apple рассматривает производство антибликовых дисплеев

Как избавиться от статического электричества в повседневной жизни доступными способами

— обязательно заземлять бытовое оборудование;

— использовать бытовые увлажнители воздуха;

— завести в доме комнатные растения;

— делать влажную уборку помещения утром и вечером;

— регулярно проветривать помещение;- все синтетические ткани в квартире, такие как тюль, обивка мебели, паласы должны быть обработаны антистатическим средством;

— по возможности использовать в своём гардеробе одежду исключительно из натуральных материалов;

— желательно приобретать обувь на резиновой или кожаной подошве;

— при укладке следует нанести на расчёску несколько капель любого натурального эфирного масла, эти средства зарекомендовали себя как великолепные природные антистатики;- по возможности свести к минимуму укладку волос горячим способом.

Хотите первыми получать важную и полезную информацию о ДЕНЬГАХ и БИЗНЕСЕ? Подписывайтесь на наши аккаунты в мессенджерах и соцсетях: Telegram, Twitter, YouTube, Facebook, Instagram.

Внимание, опасность — статическое электричество

Внимание, опасность — статическое электричество

Всем знакомо неприятное ощущение от внезапно проскочившей искры, но мало кто знает, что это смертельно опасное явление, является причиной смерти миллионов людей от внезапно появившейся аритмии сердца.

Мурашки по коже

19/12/2007

В восьмидесятые годы прошлого века по Питеру гуляла байка про известного ученого, который на ночь прикручивал к ноге медный провод. Другой конец провода крепил к батарее центрального отопления.
Мурашки по коже

Так ученый заземлялся — снимал с себя статическое электричество, накопившееся за день. История эта даже пару раз попала на страницы газет. Как пример разного рода чудачеств, широко распространенных среди людей науки. Многие читатели при этом вертели пальцами у виска. Но прошли годы. И сегодня вред статического электричества общепризнан. Более того, для здоровья человека оно стало опасностью № 1.

Убийца ХХI века

Вообще, о вреде статического электричества известно давно. Оно способно вызвать взрыв бензина в бензобаке автомобиля, нефти в танкере, угольной пыли в шахте, и даже мучной пыли на мукомольном комбинате! Вызывает помехи в работе разных приборов и мелкие неприятности в быту. В июне этого года на российско-американской космической станции «Мир» из-за статического электричества вышли из строя шесть компьютеров. Жизнеобеспечение станции оказалось под угрозой. Даже стоял вопрос об экстренной эвакуации экипажа.

Люди научились защищать от вредного воздействия статического электричества здания, промышленную технику и бытовые приборы. Даже об одежде подумали, изобретя специальный аэрозоль, чтобы к ней ничего не липло. Позаботились обо всем, кроме… себя любимых. И — как итог — статическое электричество превратилось едва ли не в главную угрозу организму современного человека. Рост смертности от болезней сердечно-сосудистой системы, резкое увеличение психических заболеваний — всем этим мы обязаны в первую очередь статическому электричеству, а вовсе не участившимся стрессам. В жизни наших предков стрессовых ситуаций было гораздо больше, чем у нас. И статическое электричество как физическое явление тоже было всегда. Но только человеческий организм с ним раньше не соприкасался.

Наше тело — аккумулятор

Человек в разрезе очень напоминает аккумулятор. Вернее, не человек, а клетки, из которых он состоит. Стенка клетки имеет электрический потенциал, а внутри нее — раствор электролита, в котором плавает ядро и прочие внутриклеточные структуры. Клетка в свою очередь окружена внеклеточной жидкостью, то есть тем же электролитом, правда, несколько иного состава. Одни вещества активно в клетку вводятся, а другие выводятся из нее. Происходит это благодаря биоэлектрическим процессам. Вот и получается, что один аккумулятор (клетка) находится внутри другого аккумулятора — органа (мышцы, печени и т. д.) с его внеклеточной жидкостью.

Дальше — больше. Все это омывается другим электролитом — кровью. За счет электричества функционируют многие системы организма. Нервы — это, по сути, километры биопроводов, по которым передается импульс. Сердце сокращается благодаря разряду, передаваемому по нервному волокну пучка Гиса. Очень похоже на систему зажигания в автомобиле, только в миллионы раз сложнее.

Работа мышц, сердца, мозга и прочих органов сопровождается электрической активностью. Этот факт давно используется в диагностике. Снимаются миограммы, электрокардиограммы и энцефалограммы. Они изменяются при болезнях центральной нервной системы, эпилепсии, алкоголизме, наркомании, и даже в зависимости от того спим мы или бодрствуем.

Вся сознательная жизнь человека зависит от электрической активности мозга. А в итоге все электричество организма суммируется и образует сложное биополе, крайне чувствительное к внешним электропомехам. И главная помеха — статическое электричество.

Каждый из нас не раз испытывал силу собственного статического электричества. Разряд может проскочить при прикосновении к металлическим предметам, и даже при обычном рукопожатии. Причем он бывает весьма чувствителен. А представьте, что происходит с электропроводящей системой сердца в этот момент. В мире отмечается нарастание аритмической смерти у абсолютно здоровых и молодых людей, при вскрытии на сердце которых патологоанатомы не находят никаких патологических изменений.

Статическое электричество неблагоприятно влияет и на потенцию. Ведь во время полового акта задействовано несколько центров в головном и спинном мозге. Их связь и координация происходят за счет сложно закодированных электрических импульсов. Статическое электричество для этой координации — прямая помеха.

Эта напасть особенно опасна для человеческого организма еще потому, что она ему в новинку. Возникла менее века назад. И природа за период эволюции не выработала защитного механизма от статического электричества.

Вредная синтетика

Наши далекие предки вели тяжелую жизнь. Жили в пещерах, кутались в звериные шкуры и, уходя на охоту, не знали, удастся ли что-нибудь добыть. Однако при этом от депрессий они не страдали. Статического электричества на них не было, так как люди находились в постоянном контакте с землей. Время шло, человечество все больше изолировало себя от почвы, начав носить одежду и обувь. Правда, шили их все-таки из натурального сырья. А кроме того, люди «заземлялись», когда мокли во время дождя. Однако человечество развивалось и придумало зонтик. Следом — резину, а затем синтетические материалы. Так началась эра статического электричества. Непроводящие электричество синтетика и резина стали одеждой и обувью человека. Они также стали входить в состав стен, напольных покрытий, мебели.

Мало того, что одежда из этих материалов мешает «стекать» с тела человека статическому электричеству, она при каждом движении еще и вырабатывает дополнительную порцию электричества. В итоге человек становится похож на генератор. И сегодня освобождается от статики, только умываясь или принимая ванну. Если, конечно, она не акриловая.

Горожане ходят по асфальту и живут в домах, полных синтетических материалов. И превращаются в разновидность конденсатора, который при малейшем контакте искрит. Как электричеством, так и конфликтами. Потому и депрессиям горожане более подвержены. Особенно зимой, когда на человеке больше одежды, а значит, и электроэнергии он вырабатывает больше.

Последний рубеж

Казалось, развитие цивилизации — одежда, обувь, отделка домов, асфальт улиц — полностью заизолировало городского жителя от контакта с матушкой-землей. Однако природа оставила человеку в борьбе со статическим электричеством «последний рубеж» — туалет. Человечество до сих пор убеждено, что мочеиспускание — это выведение шлаков из организма. О том, что это еще и выведение вредного электричества, знают немногие.

Моча — отличный проводник. Она представляет собой раствор электролитов. Так что во время посещения человеком туалета происходит заземление и сброс статического электричества. Более того, сброс идет не с внешнего контура человека, а с внутреннего. Мочевой пузырь располагается в соседстве с позвоночником и спинным мозгом. Он фактически оплетен нервными стволами. Получается, что при мочеиспускании происходит заземление непосредственно центральной нервной системы!

Однако поступь прогресса неумолима. Добрался он и до последнего рубежа обороны. Изобретение унитаза перерезало последнюю ниточку, что до недавнего времени связывала горожанина с землей. Фаянсовый унитаз и пластиковые трубы заизолировали человека окончательно. Организм и наше биополе оказались в полной и беспредельной власти статического электричества.

Понятно, что его воздействию меньше подвержены жители сельской местности, обделенные плодами цивилизации. Но не только они. Некоторые народы защищены от статического электричества силой обычаев и религиозных предписаний. Например, догмат иудеев-хасидов строго требует оправления естественных надобностей только на землю и никуда более. Унитаз для хасида не удобство, а лютый враг! Строгие предписания на этот счет есть и у некоторых народов Африки и Южной Америки.

Петербуржцы, заземляйтесь!

Но что же делать, чтобы спастись от статического электричества обычным людям, которые живут в городах? Ответ прост — заземляться. И для этого необязательно прикручивать себя проводами к батарее.

Очень полезны водные процедуры, купание в естественных водоемах и любая работа на земле. Просто поваляться на травке и то благо. А уж поковыряться на огороде — двойная польза. Многие дачники отличаются бодростью и здоровьем. Но не оттого, что едят свои овощи, а потому, что растят их.

Юрий ЮМ

апд. У здоровых людей высокий запас прочности к внешним враждебным проявлениям. Поэтому опасаться искр следует людям со слабым сердцем.

средства и правила защиты, причины возникновения и вред

На чтение 9 мин Просмотров 279 Опубликовано 19.08.2019 Обновлено 09.08.2019

Понятие о природном явлении под названием «статическое электричество» известно большинству людей еще из школьного курса физики. В нем описывается опыт, когда к потертой о волосы расческе или палочке из эбонита начинают прилипать мелко нарезанные кусочки бумаги. Исследуемое явление представлено в этом примере как притяжение разнородно заряженных элементов, что объясняется разделением зарядов за счет проделанной работы трения. Однако в природе встречаются и другие проявления этого эффекта, совсем не похожие на эксперимент или развлекательный опыт. Ознакомившись с ними, проще понять, что такое статическое напряжение и как с ним удается бороться на производстве и в бытовых условиях.

Определение статического электричества

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.

У некоторых веществ отрицательно заряженные электроны настолько удалены от центра, что при малейшем нарушении энергетического баланса они смещаются со своих постоянных орбит. Это, как правило, происходит в результате трения, когда в веществе выделяется небольшое количество тепловой энергии.

При удалении электронов от ядра оно приобретает положительный заряд, а в теле материала появляется значительное количество частиц с противоположными зарядами (ионов). Они являются источником и основной причиной так называемого «статического электричества».

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.

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.

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.

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

Грозовые разряды относятся к опасным проявлениям статического электричества

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.

Медики рекомендуют внимательно относиться не только к материалу постоянно носимой одежды, но и к выбору домашнего постельного белья, на которых накапливается опасный заряд.

Польза статистического электричества

Отыскать способы управления статическим зарядом с пользой для человека в свое время пытались многие ученые и изобретатели. Ими разрабатывались громоздкие и очень затратные агрегаты, отдача от которых оставалась, как правило, очень низкой. Единственный прорыв в этой области – открытие учеными так называемого «коронного разряда».

Уникальные возможности этого явления используются не только на производстве, но и в обычных бытовых условиях. За счет освоения современных приемов управления электростатическими явлениями они широко применяются в следующих технологических процессах:

• окраска каркасных оснований, а также поверхностей металлоконструкций и других сборных изделий;
• очистка газов от примесей в добывающей промышленности;
• использование во многих сферах, связанных с обработкой материалов (современные нанотехнологии).

Широкое применение нашел коронарный разряд и в медицине, где он используется для ограниченного воздействия электростатическими разрядами на больные органы человека. Кроме того, на основе этого эффекта разработано множество приборов, способных ионизировать воздух не только в производственных помещениях и заводских цехах, но и в типовой городской квартире. Одно из таких полезных изобретений – электростатический фильтр, предназначенный для удаления из окружающего воздуха аэрозольных и механических частиц. Благодаря его применению удается избавиться от копоти, сажи и дыма, а также от мелких частиц пыли, в избытке скапливающихся в любом современном доме.

Как снять статическое электричество с человека и окружающих предметов

Поскольку вредность статического электричества для взрослого и ребенка доказана временем, ученые давно искали способы, позволяющие защитить их от этого опасного явления. Особую важность приобретает вопрос защиты от статики маленьких детей, которые более чувствительны к его проявлениям. Для всех категорий пользователей разработано несколько различных подходов, позволяющих снять заряд статического электричества, накапливающийся со временем на поверхностях любого предмета.

Самый простой способ избавиться от статики, скопившейся на домашнем оборудовании (на персональном компьютере или стиральной машине, например) – заземлить их посредством соединения корпуса со специальной земляной шиной.

Простейший метод снятия заряда с любой носимой вещи – периодическое опрыскивание ее пульверизатором с водой, представляющей собой хорошее заземление.

Чтобы опасный заряд не скапливался на кузове автомобиля, на его заднем бампере крепится специальная полоска из проводящей ток резины (ремешок). Кроме того, при долгих поездках в личном автотранспорте обязательна проработка вопроса недопустимости скапливания зарядов из-за перемены положения тела относительно сидения. В результате возникающего при этом трения о чехлы их накапливается иногда достаточное количество, что нередко приводит к ощутимому и неприятному электрическому разряду. Поэтому следует периодически увлажнять сидения, опрыскивая их специальным компактным пульверизатором.

Меры и средства личной защиты

Электростатическая защита – необходимая мера, без которой в современной жизни обойтись практически невозможно. Для этого разработан целый ряд эффективных и действенных методов, воспользовавшись которыми удается снизить опасность воздействия статики. Прежде всего это правильный выбор одежды для повседневной носки, которая изготавливается на основе натуральных тканей типа хлопка, льна и подобных им волокон несинтетического происхождения. При невозможности сделать это придется воспользоваться современными средствами снятия электростатики, разработанными специально для этих целей.

Самый простой способ защиты от электрических явлений при ношении одежды – использование антистатических составов, снимающих заряд с поверхности тканого материала.

Большое распространение получили особые стиральные порошки, в составе которых имеются специальные добавки, нейтрализующие действие электростатического эффекта.

Избавиться от статического электричества поможет грамотный подход к выбору носимой ежедневно обуви, что не менее важно, чем правильный подбор ткани для одежды. Для объяснения особенностей защиты человека со стороны ног потребуется вспомнить, что свободным зарядам, всегда имеющимся в земле, проще скапливаться на резиновых поверхностях. Если выбрать для постоянной носки обувь с подошвой на основе кожи, причин для образования электростатики со стороны земли станет меньше.

На всех предприятиях, сотрудники которых заняты производством высокоточных и дорогостоящих электроприборов и комплектующих к ним, выдают специальную обувь. С ее помощью удается обезопасить современные микрочипы и другие электронные детали от случайного пробоя статическим электричеством.

Из практики известно, что вода и влажная среда являются проводником электрических зарядов, благодаря чему на увлажненных поверхностях они обычно не скапливаются. Указанная процедура проводится путем нанесения на кожу рук и тела специальных растворов и лосьонов. Лучше всего делать это непосредственно перед одеванием, а затем увлажнять открытые части тела в течение всего рабочего дня. При скапливании большого количества зарядов на носимой дома одежде рекомендуется замачивать ее на короткое время, а затем тщательно просушивать на открытом воздухе.

Статическое электричество само по себе – опасное для человека природное проявление, способное привести к ряду нежелательных последствий и даже тяжелой болезни. Поэтому борьбе с ним уделяется повышенное внимание не только в промышленных масштабах, но и в бытовых условиях.

1. Польза статического электричества

1. Польза статического электричества

При правильном использовании статическое электричество может приносить немало пользы. Положительно действует на организм так называемый статический душ, а органы дыхания лечат с помощью специальных электроаэрозолей. Чтобы очистить воздух от пыли, сажи, кислотных и щелочных паров, прибегают к электростатическим фильтрам. Рыба будет коптиться быстрее, если ее поместить в специальную электрокамеру, где конвейер с продуктом заряжен положительно, а электроды — отрицательно. Работа ксероксов и лазерных принтеров также основана на действии статического электричества: положительные заряды образуют на барабане изображение оригинала и притягивают частицы краски, создавая картину. Затем порошок переносится на лист заряженной бумаги, где горячие валики укатывают ее в бумагу.

Знаете ли вы, что, даже поглаживая кошку, мы получаем электрический заряд? Правда, чтобы зажечь обычную лампочку, нам придется одновременно гладить несколько миллионов кошек.

Было время, когда для освещения использовали обычный дуговой разряд, т. е. непрерывно горящую искру. Приспособить её для освещения впервые попытались русский учёный-самоучка Василий Петров и англичанин Гемфри Дэви в начале 19века. Но у них ничего не вышло: для этого нужны были мощный источник тока и система, обеспечивающая непрерывное горение дуги в газе. Начало практическому использованию электрического тока для освещения положил русский инженер Павел Яблочков. В 1876г. он сделал дуговую угольную лампу переменного тока. Через два года учёный осветил Всемирную выставку в Париже, а его изобретение назвали «Русским светом». В 1879г. американский изобретатель Томас Эдисон предложил неплохую конструкцию лампы накаливания вакуумного типа с угольной нитью. Позже появились лампы, работающие благодаря нагреву вольфрамовой спирали, помещённой в стеклянный баллон, заполненный инертным газом.

Электрические разряды сегодня используются не только для освещения. С их помощью химики ускоряют реакции, физики «накачивают» лазеры, инженеры и техники сваривают и режут металлические изделия, а медики ионизируют воздух тихим коронным разрядом.

2. Опасные и вредные факторы статического электричества

При прикосновении человека к предмету, несу­щему электрический заряд, происходит разряд по­следнего через тело человека. Величины возникаю­щих при разрядке токов небольшие и они очень кратковременны. Поэтому электротравм не возни­кает. Однако разряд, как правило, вызывает рефлек­торное движение человека, что в ряде случаев может привести к резкому движению, падению человека с высоты.

Кроме того, при образовании заряда с большим электрическим потенциалом вокруг них создается электрическое поле повышенной напряженности, кото­рое вредно для человека. При длительном пребывании человека в таком поле наблюдаются функциональные изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и других системах.

«У людей, работающих в зоне воздействия электростатического поля, встречаются разнообразные жалобы: на раздражительность, головную боль, нарушение сна, снижение аппетита и др. Характерны своеобразные «фобии», обусловленные страхом ожидаемого разряда. Склонность к «фобиям» обычно сочетается с повышенной эмоциональной возбудимостью».¹

Установлено также благотворное влияние на самочувствие снятия избыточного электростатического заряда с тела человека (заземление, хождение босиком).

Наибольшая опасность электростатических заря­дов заключается в том, что искровой разряд может обладать энергией, достаточной для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси. Искра, возникаю­щая при разрядке электростатических зарядов, яв­ляется частой причиной пожаров и взрывов.

Так, удаление из помещения пыли из диэлек­трического материала с помощью вытяжной венти­ляции может привести к накоплению в газоходах электростатических зарядов и отложений пыли. Появление искрового разряда в этом случае может привести к воспламенению или взрыву пыли. Из­вестны случаи очень серьезных аварий на предпри­ятиях в результате взрывов в системах вентиляции.

При перевозке легковоспламеняющихся жидко­стей, при их перекачке по трубопроводам, сливе из цистерны или за счет плескания жидкости накап­ливаются электростатические заряды, и может возникнуть искра, которая воспламенит жидкость.

Наибольшую опасность статическое электричес­тво представляет на производстве и на транспорте, особенно при наличии пожаро-взрывоопасных смесей, пылей и паров легковоспламеняющихся жидкостей.

В бытовых условиях (например, при хождении по ковру) накапливаются небольшие заряды, и энергии возникших искровых разрядов недоста­точно для инициирования пожара в обычных усло­виях быта.

Достарыңызбен бөлісу:

Статическое электричество — плюсы

Мы так привыкли обсуждать отрицательные эффекты статического электричества, что подумали, что пора обсудить положительное влияние, которое оно может оказать на вашу повседневную жизнь.

Мобильные телефоны

Знаете ли вы, что каждый раз, когда вы касаетесь экрана своего мобильного телефона, чтобы открыть приложение, вы используете силу статического электричества? Поскольку типичный мобильный пользователь прикасается к своему телефону 2617 раз в день, согласно исследованию Dscout, это большая статическая энергия.

Большинство мобильных телефонов имеют емкостный сенсорный экран, изготовленный из таких материалов, как медь или оксид индия и олова, которые накапливают электрические заряды в электростатической сетке крошечных проводов, каждый размером меньше человеческого волоса. Когда палец попадает на экран, от пальца передается крошечный электрический заряд, замыкая цепь, создавая падение напряжения в этой точке экрана. Программное обеспечение обрабатывает местоположение этого падения напряжения и приказывает выполнить последующее действие.

Копировальные аппараты

Хотя в цифровую эпоху они становятся все менее распространенными, оригинальные аналоговые копировальные аппараты использовали статическое электричество и свет для создания копий. Первый офисный копировальный аппарат с обычной бумагой был выпущен в 1960 году Честером Карлсоном и был назван самым успешным продуктом, когда-либо продававшимся в Америке.

Копировальные аппараты состояли из барабана или ленты, покрытой слоем фотопроводящего материала. Фотопроводящий материал проводит электричество при попадании света.Когда копировальный аппарат освещает лист бумаги на стеклянной поверхности копировального устройства, рисунок изображения проецируется на положительно заряженный фоточувствительный барабан под действием статического электричества. Свет, отраженный от пустых участков на странице, попадает на барабан и вызывает нейтрализацию заряженных частиц, покрывающих поверхность барабана. Это оставляет положительный заряд только там, где на бумаге есть темные участки, которые не отражали свет. Эти положительные заряды притягивают отрицательно заряженный тонер. Затем тонер переносится и расплавляется на положительно заряженный лист бумаги.

Освежители воздуха

Статическое электричество можно использовать для очистки воздуха. Удаление пыли с помощью воздухоочистителей использует статическое электричество для изменения заряда частиц пыли, так что они прилипают к пластине или фильтру очистителя. Пластина имеет заряд, противоположный заряду пыли (противоположные заряды притягиваются друг к другу). Эти заряженные частицы пыли затем притягиваются и прилипают к пластине устройства с противоположным зарядом.

Та же самая основа используется в более крупных масштабах на заводах для уменьшения загрязнения, исходящего из их дымовых труб.

Покраска автомобилей

Некоторые производители автомобилей используют статическое электричество для получения гладкой окраски поверхности автомобиля.

Электростатическая окраска распылением — это метод, который может уменьшить проблемы с неравномерным покрытием и чрезмерным распылением, возникающие при использовании обычного пистолета-распылителя. Краскораспылитель заряжается положительно, поэтому каждая частица краски становится положительно заряженной. Поскольку все частицы краски имеют одинаковый заряд, они отталкиваются друг от друга и образуют тонкий туман краски, который распыляется в сторону автомобиля.Обычно окрашиваемый автомобиль металлический и заземленный, но почти любое изделие можно обработать электростатическим способом. Заряженные частицы краски притягиваются к заземленному автомобилю и прилипают к кузову. Когда краска высыхает, она намного лучше прилипает к автомобилю и становится более гладкой, поскольку распределяется равномерно.

Магия статического электричества

К сожалению, хотя мы не можем игнорировать опасность статического электричества, важно понимать, что оно оказывает положительное влияние на нашу повседневную жизнь.Где мой телефон!

применений статического электричества, Рон Куртус

SfC На главную> Физика> Электричество> Статическое электричество>

Рона Куртуса (от 12 января 2014 г.)

Хотя статическое электричество может доставлять неудобства — например, получить удар током при прикосновении к дверной ручке или статическое электричество, цепляющееся за вашу одежду — он имеет ряд преимуществ: .

Силы притяжения между заряженными частицами, вызванные статическим электричеством, используются в борьбе с загрязнением воздуха, ксерографии и окраске автомобилей.

Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

• Как статическое электричество используется для борьбы с загрязнением воздуха?
• Как работает аппарат Xerox?
• Как статическое электричество используется для покраски автомобилей?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц

---

---

Контроль загрязнения

Статическое электричество используется для борьбы с загрязнением путем приложения статического заряда к частицам грязи в воздухе и последующего сбора этих заряженных частиц на пластине или коллекторе противоположного электрического заряда.Такие устройства часто называют электрофильтрами.

Дымовые трубы

Заводы используют статическое электричество, чтобы уменьшить загрязнение, исходящее от дымовых труб. Они придают дыму электрический заряд. Когда он проходит мимо электродов с противоположным зарядом, большая часть частиц дыма цепляется за электроды. Это предотвращает попадание загрязняющих веществ в атмосферу.

Как работает электрофильтр для дымовых труб

От BBC — Электростатические осадители

Освежители воздуха

Некоторые люди покупают так называемые ионизаторы воздуха, чтобы освежить и очистить воздух в своих домах.Они работают по тому же принципу, что и контроль загрязнения дымовой трубы. Эти устройства удаляют электроны из молекул дыма, частиц пыли и пыльцы в воздухе, точно так же, как это происходит при создании статического электричества.

Эти заряженные частицы пыли и дыма затем притягиваются и прилипают к пластине устройства с противоположным зарядом. Через некоторое время большая часть загрязнения уходит из воздуха.

Поскольку заряженные частицы также прилипают к нейтральным поверхностям, некоторые из них могут прилипать к стене возле ионизатора, делая ее очень грязной и трудной для очистки.

Ксерография

Ваш копировальный аппарат или аппарат Xerox использует статическое электричество для копирования отпечатков на страницу. Это делается с помощью науки ксерографии.

Одна версия этого устройства электрически заряжает чернила, чтобы они прилипали к бумаге в обозначенных областях. Другая версия копировального аппарата использует заряды, чтобы наклеивать чернила на барабан, который затем переносит их на бумагу.

Покраска автомобилей

Некоторые производители автомобилей используют статическое электричество, чтобы помочь им покрасить автомобили, которые они производят.Это работает так: сначала они подготавливают поверхность автомобиля, а затем помещают ее в покрасочную камеру. Затем они заряжают краску электрическим током и распыляют на кабину мелкий туман. Заряженные частицы краски притягиваются к автомобилю и прилипают к кузову, как заряженный воздушный шар прилипает к стене. Когда краска высыхает, она намного лучше прилипает к автомобилю и становится более гладкой, поскольку распределяется равномерно.

Сводка

Статическое электричество используется для борьбы с загрязнением окружающей среды, аппаратов Xerox и покраски.Они используют свойство притяжения противоположных электрических зарядов. Есть и другие применения, связанные со свойствами отталкивания и создания искр статического электричества.

---

Используйте свои знания о статическом электричестве на благо человечества

---

Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Сайты

Использование статического электричества — HubPages.com

Использование статического электричества — PassMyExams.co.uk

Использование статического электричества — Cyberphysics.co.uk

Электростатические осадители

Статические ресурсы электроэнергии

Книги

Книги по электростатике с самым высоким рейтингом

---

Вопросы и комментарии

Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте. Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.

---

Поделиться страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:

---

Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
static_uses.htm

Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Авторские права © Ограничения

---

Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Электроэнергетика

Использование статического электричества

---

Статическое электричество: преимущества, недостатки, причины и следствия.

Введение в статическое электричество:

Статическое электричество — это нарушение баланса электрического заряда на поверхности ткани. Статический означает фиксированный или стационарный, поэтому он используется в отличие от динамического (движущегося) электричества, которое соответствует типу электрических токов.

Обычно атомы нейтральны, что говорит о том, что им нужен одинаковый набор электронов и протонов. но атомы становятся заряженными, когда возникает дисбаланс в пределах количества этих частиц, что может происходить довольно просто, конечно, с материалами.способность ткани передавать электроны определяет ее место в «трибоэлектрическом ряду». Чем дальше в иерархии расположены 2 материала в этой серии, тем заметнее будет разделение зарядов, когда они станут доступны в контакте. например стеклянный и шелковый квадрат

имеют сравнительно большие различия в этой серии, поэтому, когда стекло натирается шелком, оно теряет несколько электронов по сравнению с шелком, и обнаруживается электричество. Большинство людей понимают, что статика накапливается, когда мы протираем что-то, хотя это не очень удовлетворительное объяснение.Что такое трение вещей, которое вызывает электрическое явление? Хотя молния может быть ярким примером электричества, мы не воспользуемся ею. однако есть несколько альтернативных мест, где электричество невероятно полезно; от лазерных принтеров и копировальных машин до электростанций, уничтожающих загрязняющие вещества, статика — это просто фантастика. поэтому давайте лучше рассмотрим, что это такое и как работает! .

Для лучшего понимания см. Это видео https: // www.youtube.com/watch?v=sD1nyTG40bo

Зарядка

Разделение заряда двух объектов вызывается многими альтернативными способами.

Разделение, вызванное контактом, достигается путем трения двух предметов друг о друга, поскольку предметы в захватах образуют химическую связь, известную как адгезия. Адгезия — это тенденция различных поверхностей плотно прижиматься друг к другу. Обычно предполагается, что трение является объяснением этого статического заряда, однако трение действительно вызвано адгезией и шокирующим образом не влияет на разделение зарядов.

Рис. 2. Разделение, вызванное зарядом.

Разделение, вызванное нагревом и давлением, происходит, когда определенные разновидности кристаллов или керамики подвергаются действию напряжения или нагреваются на единицу площади.
Разделение, вызванное зарядом, происходит, когда заряженный объект приближается к нейтральному. затраты внутри нейтрального объекта той же полярности, потому что заряженный объект будет отталкиваться, тогда как заряды противоположной полярности будут заинтересованы в нем. Это приводит к тому, что когда-то нейтральный объект имеет дисбаланс заряда Associate in Nursing.это будет видно на рисунке 2.

Выгрузка

Рис. 3. Молния — это разряд статического электричества в грозовых облаках.

После того, как объект «Сотрудник по медсестринскому делу» разработал дисбаланс заряда, ему, естественно, придется снова стать нейтральным. Это происходит в результате так называемой разрядки, которая обычно может ощущаться при шоке, когда это происходит с человеком. Контактно-индуцированная зарядка — это наиболее типичный старый вид накопления электричества, который может быть достигнут путем трения ног о ковер.Как только накопится достаточный заряд, необходимо достаточно высокое напряжение, чтобы заряд перескочил от человека к ближайшей ручке, и человек разрядился и, если он не был к этому подготовлен, был в ужасе.

Этот же метод накопления и разряда заряда происходит в облаках, вызывая молнию, и его можно изучить в рамках Гиперфизики.

Причины накопления статического заряда

Одной из частых причин накопления статического заряда является контакт между твердыми материалами. в ногу с физикой «Когда 2 объекта протираются по площади, чтобы произвести электричество, один объект выделяет электроны и становится сильно заряженным, тогда как противоположный материал собирает электроны и становится сильно заряженным.Это часто происходит из-за того, что один материал имеет слабые надежные электроны, и, следовательно, другой имеет несколько вакансий в своих внешних лептонных оболочках, поэтому электроны будут перемещаться от предыдущего к последнему, создавая дисбаланс заряда, как только квадратная мера материалов разделена. Материалы, которые могут терять или приобретать электроны во время этого подхода, называются трибоэлектрическими, в соответствии с Северо-Западным университетом. Один из распространенных примеров этого — перемещение ног по ковру, особенно при низкой влажности, что делает воздух менее полупроводниковым и улучшает результат.

Поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, они имеют склонность перемещаться к концам заряженного объекта, чтобы оттолкнуться друг от друга. Это часто является причиной того, что ваши волосы распрямляются по окончании, когда ваше тело получает статический заряд, в соответствии с Библиотекой Конгресса. После того, как вы прикусите заземленный кусок металла, например, винт на легкой пластине переключателя, это обеспечит путь к земле для заряда, накопившегося в вашем теле. Этот непредвиденный разряд создает явную и громкую искру в воздухе между вашим пальцем и, следовательно, винтом.Часто это происходит из-за высокого напряжения между вашим телом и землей, максимальное значение которого может составлять 25000 вольт.

Трибоэлектрический эффект

Важно не трение, а то, что мы соприкасаем два разных материала. Сильное трение двух предметов друг о друга просто приводит их в контакт снова и снова — и именно это создает статическое электричество посредством явления, известного как трибоэлектричество (или трибоэлектрический эффект).Все материалы состоят из атомов, которые имеют положительное центральное ядро ​​(ядро), окруженное своего рода нечетким «облаком» электронов, которые являются действительно захватывающими частями. Некоторые атомы притягивают электроны сильнее, чем другие; большая часть химии проистекает из этого факта. Если мы поместим два разных материала в контакт, и один из них будет притягивать электроны больше, чем другой, возможно, что электроны будут перетянуты из одного материала в другой. Когда мы разделяем материалы, электроны фактически прыгают на тот материал, который их привлекает сильнее всего.В результате один из материалов получил несколько дополнительных электронов (и стал отрицательно заряженным), в то время как другой материал потерял часть электронов (и стал положительно заряженным). Привет, у нас есть статическое электричество! Когда мы снова и снова соприкасаемся друг с другом, мы увеличиваем вероятность того, что в этом обмене электронами примут участие больше атомов, и именно поэтому накапливается статический заряд.

Фото: Как трибоэлектрический эффект объясняет статическое электричество: 1. Эбонит (твердая вулканизированная резина — показан здесь черным стержнем) и шерсть (показана серым) обычно не имеют электрического заряда.2) Соедините их, и эбонит притянет электроны из шерсти. 3) Разделите их, и электроны останутся на эбоните, что сделает его отрицательно заряженным и оставив шерсть с недостатком электронов (или положительным зарядом). Трение двух веществ друг к другу увеличивает контакт между ними и повышает вероятность миграции электронов из шерсти в эбонит. Отрицательный заряд на эбоните точно такой же, как и положительный заряд на шерсти; Другими словами, чистая плата не создается.

Трибоэлектрическая серия

Если вы поэкспериментируете с разными материалами, вы обнаружите, что некоторые из них получают положительный заряд, когда их натирают, а некоторые — отрицательные; некоторые материалы также получают больший заряд, чем другие. Оказывается, мы можем ранжировать материалы в соответствии с получаемым ими зарядом, давая нам своего рода таблицу рейтинга материалов, меняющуюся от положительного к отрицательному. В разных книгах и на веб-страницах представлены несколько разные списки, но все они в целом варьируются от минералов (положительные) до таких вещей, как дерево и бумага (нейтральные) и заканчивая пластиками (отрицательные).Не беспокойтесь о точном порядке в списке; он будет меняться по разным причинам (например, от вида стекла или добавок в латексе).

Действие статического электричества

Мы склонны часто замечать его эффект в засушливые зимние месяцы, когда в воздухе ужасно низкая влажность. Сухой воздух ассоциируется у медсестер с электричеством, а влажный воздух действует как проводник. вот что может случиться: в сухом воздухе электроны не свободны на поверхности с более сильной силой связи.не похоже, что, когда воздух становится влажным, они не могут заметить, как их благодарность течет обратно на поверхность, откуда бы они ни пришли, и что они не могут снова создать равномерное распределение зарядов.

Статическая электрическая искра возникает, когда объект «Ассоциированный в уходе» с избытком отрицательных электронов оказывается на грани другого объекта с меньшим электрическим зарядом — а также избыток электронов достаточно массивен, чтобы образовать «прыжок» электронов. Электроны должны быть связаны, где бы они ни были сконструированы — например, у вас, когда вы идете по шерстяной мебели — к последующему фактору, с которым вы контактируете, у которого нет большего, чем у электронов, — например, к ручке.

Вы почувствуете скачок электронов. Когда электроны могут путешествовать в безвестности, заряд образует золотые поверхности, пока не достигнет самой важной части и разрядится в виде маленькой молнии. предложите электронам пространство для перемещения — например, вытянутый палец — и вы определенно почувствуете удар.

Приложения статического электричества

Электростатические осадители

Электрофильтры широко используются для улавливания мелких твердых частиц там, где требуется обработка большого количества газа и везде, где мокрый скруббер неприемлем.Электрогенерирующие установки, работающие на угле, первичные и вторичные плавильные печи и мусоросжигательные заводы часто используют электростатические пылеуловители, в которых единицы площади частиц удаляются, когда поток грязного газа проходит по высоковольтным проводам, обычно несущим чрезмерно большое отрицательное напряжение постоянного тока. Единица площади частиц электрически заряжена, когда они проходят через эти проводники, а затем мигрируют через электростатическое поле к заземленному рядному электроду. Собирающий проводник часто представляет собой либо цилиндрическую трубу, закрывающую высоковольтный зарядный провод, либо плоскую пластину, подобную показанной на Рисунке 21-7.В любом случае по нему время от времени следует постучать крошечными головками молотка, чтобы отделить собранные частицы от его поверхности.

РИСУНОК 21-7. Электрофильтр

По мере того, как слой грязи образует проводник для сборки, способность к сбору может значительно снизиться, если проводник находится внутри цилиндрической трубы. Более того, некоторая грязь имеет поверхность с высоким сопротивлением и не разряжается по собирающему проводнику, но прилипает к нему.Эту проблему могут решить нагретые или промытые водой электроды. Электрофильтры площадью единицы экономичные сборщики ужасно мелких частиц. Однако, поскольку количество собранной грязи прямо пропорционально ее потребляемой мощности, электрофильтр может потреблять значительную электроэнергию, что приводит к значительным накладным расходам.

Копировальные аппараты:

Аппараты и копировальные аппараты Xerox используют электрическое притяжение для «приклеивания» заряженных частиц тона к бумаге.

Освежители воздуха:

Освежители воздуха не только создают приятный запах в комнате, но и действительно устраняют неприятные запахи, снимая статическое электричество с частиц пыли, тем самым устраняя неприятный запах.

Лазерный луч:

Статическое электричество также нашло свое применение в нанотехнологиях, где оно используется, например, для улавливания одиночных атомов лазерными лучами. Затем этими атомами можно манипулировать для любых целей, например, в различных вычислительных приложениях.

Наношарики:

Еще одно захватывающее применение в нанотехнологиях — это управление наношариками, которые с помощью статического электричества можно переключать между надутым и свернутым состояниями.Эти молекулярные машины однажды смогут доставлять лекарства в определенные ткани тела.

Недостатки статического электричества

Проблемы с электроникой:

Электростатический разряд возникает в результате накопления зарядов на поверхности. Поверхности непроводящих материалов при соприкосновении создают одинаковые и противоположные заряды, перемещаются друг относительно друга и затем быстро разделяются. Электрическое поле окружает непроводящий материал, когда он заряжен.

Таблица 1: Чувствительность компонентов к электростатическому разряду

В конце концов, количество заряда превышает изолирующую способность воздуха, и искра прыгает на проводник. Искра создает токи в проводнике, которые могут повредить или разрушить чувствительное устройство. Многие электронные компоненты чувствительны к электростатическому напряжению до 30 В и току всего 0,001 А — намного меньше, чем можно почувствовать, услышать или увидеть.

• Все более тонкие слои в полупроводниковых приборах сделали электростатический разряд все более опасным.КМОП-устройства с малой геометрией особенно подвержены сбоям.
• В беспроводных приложениях, таких как устройства GPS, WLAN или Wi-Fi, антенна может действовать как путь с низким сопротивлением для проникновения электростатического разряда в систему и повреждения последующих цепей.

Методы подавления электростатического разряда

Надежным средством подавления энергии электростатического разряда является установка диодов-ограничителей переходных процессов в критических точках цепи. Диод ESD соответствующей степени может «фиксировать» напряжение, защищая находящееся ниже по потоку электронное оборудование от напряжения, превышающего напряжение ограничения.К сожалению, из-за того, что диоды ESD подключаются параллельно дорожке сигнала, они добавляют в систему некоторую паразитную емкость. Емкость устройства ESD особенно важна для высокоскоростных интерфейсов, так как емкость должна быть уменьшена для поддержания целостности сигнала.

В то время как диоды подавления переходных процессов защищают вход или выход соответствующей степени, очень важно, чтобы подавитель переходных процессов оставался отключенным настолько, насколько это возможно для клемм. Избегайте следов на печатной плате, связанных с обезжиренными длинными выводами, так как они обладают паразитной индуктивностью и могут вызвать выбросы напряжения и проблемы со звоном, если переходный процесс электростатического разряда попадает в цепь.

Многие проблемы, связанные с электростатическим разрядом, будут уменьшены с помощью хорошо спланированной и проложенной печатной платы. статические и магнитные линии потока существуют в каждой цепи. Если трассировка платы охватывает массивные области петли, проводящие пути могут охватывать большую часть магнитного потока, который, в свою очередь, может индуцировать ток внутри петли, поскольку петля действует как антенна ассоциированного уровня. Этот контурный ток может вызвать мешающие поля, которые могут повлиять на части в цепи. метод сокращения областей петли состоит в том, чтобы проложить линии предложения и земли как можно ближе друг к другу.

Используйте заземление с низким импедансом внутри платы, чтобы токи статического разряда просто текли на землю, не находя других путей с низким импедансом через электронные устройства. Наземное пространство, в идеале заземленная поверхность, может уменьшить эффекты электростатического разряда. Неиспользуемые области на печатной плате следует возродить в заземляющем слое. На всем протяжении размещения убедитесь, что чувствительные электронные детали расположены вдали от потенциальных источников электростатического разряда.

Упреждающие действия для преодоления эффекта электростатического разряда:

• Устройства, чувствительные к электростатическому разряду, следует хранить в антистатических трубках, контейнерах или проводящих пенопластах, специально разработанных для этих целей
• Огибающие проводящие поверхности, находящиеся в непосредственном контакте с чувствительными устройствами, стекают накопленные заряды, предотвращая разность напряжений между контактами устройства и нарастание напряжения на шине.Металлизированный полиэтиленовый мешок действует как клетка Фарадея для защиты хранящихся внутри устройств от электрических полей, создаваемых находящимися поблизости заряженными телами
• Накройте коммуникационные разъемы материалом, рассеивающим статическое электричество, когда они не используются, чтобы предотвратить накопление заряда.

• Используйте антистатический материал на рабочих столах и полах в зонах сборки, чтобы предотвратить образование статического электричества при ходьбе и других подобных занятиях.

• Влажная атмосфера обеспечивает отвод любых атмосферных плавающих зарядов на землю и обеспечивает защиту от накопления статического электричества по сравнению с условиями сухого воздуха.
• Ионизаторы воздуха нейтрализуют свободные заряды и помогают уменьшить проблемы электростатического разряда на сборочных линиях. Избегайте инструментов с пластиковыми ручками, так как они могут заряжаться.

• Предотвращение отказов, вызванных электростатическим разрядом, начинается на этапе проектирования схемы. Методы заземления и разводки играют важную роль в предотвращении электростатических разрядов.

• Важно соблюдать надлежащие рекомендации по проектированию и выбирать компоненты, обладающие высокой устойчивостью к электростатическому разряду. Используйте устройства с правильной скоростью для достижения желаемой функции, потому что излишне высокоскоростные устройства могут генерировать нежелательное излучение.
• Важно определить уровень защиты от электростатического разряда, необходимый для различных типов компонентов. Определите предметы, чувствительные к электростатическому разряду. Примите меры предосторожности при проектировании, чтобы обеспечить надлежащую защиту таких компонентов.
• Убедитесь, что неукоснительно соблюдаются меры защиты от статического электричества.
• Установите программу управления ESD. Выявите потенциальные проблемные области, изучите неудачи и разработайте методы их преодоления. Обучите работников на всех уровнях и ознакомьте их с повреждениями, вызванными электростатическим разрядом, и мерами по их предотвращению.

Как это:

Нравится Загрузка …

Опасности и применение статического электричества

С точки зрения выходной мощности статическое электричество далеко от других знакомых электромагнитных проявлений электричества. Он может быть столь же опасным и требует хорошо спланированной защиты от угроз. Но он также имеет практическое применение в нашей повседневной жизни.

Рис. 1. Статическое электричество может быть как раздражающим, так и опасным для полезного инструмента.

В этой статье объясняется, как может неожиданно возникнуть статическое электричество, и как принять безопасные конструкции и методы, чтобы избежать инцидентов. В нем также рассматриваются некоторые приложения, в которых используется статическое электричество.

Условия, повышающие заряд

Ниже приведены некоторые особенности, которые влияют на скорость генерации заряда:

• Тип материалов: Для накопления статического электричества необходимо соприкосновение двух разнородных материалов.Проводящие свойства материалов имеют фундаментальное значение.
• Наличие примесей: включая пыль и неожиданные ионы.
• Межфазная поверхность между объектами: большая площадь контакта способствует миграции электронов между материалами.
• Скорость разделения: чем выше скорость разделения, тем меньше у электронов шансов вернуться к родительскому телу и тем выше накопление заряда.
• Скорость: движение между поверхностями способствует накоплению заряда, увеличивая поверхность при контакте за счет повышения способности неровностей на обеих поверхностях соприкасаться, а тепло, создаваемое трением, способствует перемещению электронов.Статические заряды являются обычным явлением на быстрых производственных линиях с интенсивным контактом.
• Влажность: Увеличивает утечку заряда через воздух, окружающий заряженный объект, уменьшая накопление. Чем суше атмосфера, тем больше заряд.

Некоторые примеры и области статического накопления

Накопление статического электричества можно найти практически везде, где возникает трение. Вот несколько примеров.

• Шестерни и ремни: клиновые ремни, в основном плоские линии передачи энергии, особенно чувствительны к накоплению статического заряда из-за трения между ремнем и шкивом.Резиновые конвейерные ленты, используемые в системах транспортировки материалов, не вызывают заметного накопления заряда из-за их низкой линейной скорости.
• Засыпка порошков: выливание пылевидных непроводящих твердых частиц по желобам или желобам.
• Пылевой транспорт: Пневматический транспорт порошков и твердых тел.
• Форсунки: воздух, газы, жидкости, выходящие из форсунок, или такие процессы, как пескоструйная очистка и торкретирование (напыленный бетон).
• Металлические цистерны: при установке на непроводящее основание, например, в автоцистерне на резиновых шинах, чаще всего при заполнении через купол.
• Цистерны металлические с непроводящей гильзой.
• Цистерны или сосуды из непроводящего материала.
• Жидкость, попадающая в емкость при заправке.
• Непроводящие трубопроводы, такие как стекловолокно или ПВХ, могут накапливать статические заряды снаружи из-за потока жидкости.
• Изолированные секции металлических трубопроводов, например секции, разделенные фланцевыми соединениями с уплотнением или поворотными соединениями.
• Резиновые колеса на мебели, движущейся по непроводящему покрытию, и автомобильные шины на дороге.
• Тела людей из-за трения резиновой обуви.
• Расходы на ткани.

Риски статического электричества

Некоторые опасности, связанные со статическим электричеством:

• Поражение электрическим током из-за протекания тока через тело, вызывающее у человека все, от неприятного удара до падений, ожогов или остановки сердца.
• Пожары или взрывы из-за воспламенения легковоспламеняющихся или взрывоопасных смесей.
• Нарушения производства при обработке бумаги, пластмасс, композитов, порошков, гранул и жидкостей.
• Повреждение электронного оборудования и компонентов электростатическим разрядом (ESD).
• Повреждение механических компонентов, таких как подшипники, из-за искрения через масляную пленку на поверхностях подшипников.

Очень важно проанализировать потенциал накопления статического электричества на объектах и ​​установить защитные процедуры.

Искровой разряд и энергия зажигания

Искры являются причиной большинства промышленных пожаров и взрывов в результате статического электричества.

Искра — это разряд статического электричества между двумя проводниками. Вы могли почувствовать или увидеть искру, прыгающую от ключа или пальца к металлическому заземленному объекту после прогулки по ковру.

Искровые разряды возникают, когда заряды, накопленные на проводящих объектах, создают электрическое поле, превышающее электрическую напряженность окружающей атмосферы. На рисунке 2 показан искровой разряд между двумя проводниками.

Рисунок 2.Разряд статического электричества между двумя проводниками. Изображение любезно предоставлено Missouri S&T.

Энергия, выделяемая при разряде статического электричества, варьируется в широком диапазоне. Передача энергии в искровом разряде может достигать значений до 10 000 мДж. Значение 0,2 мДж может представлять опасность возгорания, хотя эта низкая энергия искры часто ниже порога слухового и визуального восприятия человека.

Количество заряда, которое накапливает объект, зависит от его емкости хранения.Проводящий элемент не может удерживать значительный электростатический заряд, когда он заземлен.

Напряжение обозначает силу заряда. Человеческое тело может достигать 10 000 В и более в сухой среде и несколько сотен вольт во влажной среде.

Существуют и другие разряды, тип разряда зависит от характеристик используемых материалов — щеточный разряд, распространяющийся щеточный разряд, конусный разряд и коронный разряд. Эти разряды обладают разными способностями к передаче энергии и воспламеняемостью.

Склеивание и заземление во избежание искр

Одним из эффективных способов предотвращения образования искр является подключение всех объектов к проводнику (соединение) и к земле (заземление).

Соединение — это надежное соединение металлических частей, образующих электропроводящий путь, при котором разница напряжений снижается почти до нуля. Тем не менее, может быть разница в напряжении относительно земли или другого объекта. Связывание предотвращает возникновение искр между двумя объектами с одинаковым потенциалом.

Заземление — это соединение между объектами и землей, обеспечивающее разряд электростатического электричества на землю.

Помимо помещений, людей иногда необходимо заземлять. Для заземления персонала используются специальные покрытия для пола и заземления, которые надеваются на запястья или поверх обуви.

Применение электростатики

Хотя статическое электричество опасно и его необходимо избегать во многих ситуациях, оно имеет множество практических применений.Вот несколько примеров:

• Электростатические фильтры удаляют дым из отходящих газов до того, как они выйдут из дымоходов на электростанциях, работающих на ископаемом топливе. В домашней системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха осадители удаляют загрязняющие частицы, аллергены и раздражители.
• Струйные копировальные аппараты и принтеры используют статическое электричество для направления тонкой струи чернил в точное положение страницы.
• Лазерные принтеры и копировальные аппараты, использующие ксерографический процесс.
• Электростатический генератор Ван де Граафа применяется в исследованиях ядерной физики.

Рис. 3. Искра, создаваемая крупнейшим в мире генератором Ван де Граафа с воздушной изоляцией, находящимся в Бостонском музее науки. Изображение любезно предоставлено Z22 через Викимедиа. [CC BY-SA 4.0]

Об опасностях и применении статического электричества

Некоторыми характеристиками, которые увеличивают образование электростатики, являются низкая проводимость материала, примеси, большая поверхность контакта, высокая скорость разделения, высокая скорость и низкая влажность воздуха.

Электростатические искры могут иметь достаточно энергии, чтобы вызвать поражение электрическим током, вызвать повреждение электроники, испортить механические компоненты, нарушить производственные процессы и вызвать пожары и взрывы. Но статическое электричество имеет практическое применение, например, в электростатических фильтрах, копировальных аппаратах, принтерах и генераторах Ван де Граафа.

Соединение и заземление — простые, эффективные и дешевые методы предотвращения электростатических разрядов.

Фотография на обложке любезно предоставлена ​​Менно ван дер Крифт.

Что создает статическое электричество? | Американский ученый

Эта статья из выпуска

.

июль-август 2012 г.

Том 100, номер 4

Стр. 316

DOI: 10.1511 / 2012.97.316

Когда два объекта соприкасаются, а затем разделяются, на поверхностях генерируются электрические заряды.Такие события называются трибоэлектрическими зарядами , зарядами, также известными как контактные или статические заряды.

Трибоэлектричество — одна из старейших областей научных исследований, восходящая к экспериментам древнегреческого философа Фалеса Милетского, который обнаружил, что трение янтаря о шерсть приводит к появлению электростатического заряда. Действительно, трибоэлектрик по-гречески означает «натертый янтарь»; однако в трении нет необходимости, поскольку такая зарядка также является результатом простых нефрикционных контактов.

Повышение этого электрического потенциала может привести к электростатическому разряду с последствиями, которые могут варьироваться от дискомфорта до катастрофы.Результаты могут быть столь же легкими, как толчок, который мы испытываем, касаясь дверной ручки после прогулки по ковру в сухую погоду, или столь же ужасными, как крушение Hindenburg , где одна из теорий причины возгорания дирижабля заключается в том, что статическая искра воспламенила утечку водорода. Такие разряды являются серьезной проблемой для НАСА, потому что сухие условия на Луне и Марсе идеально подходят для трибоэлектрической зарядки: астронавт, потянувшись открыть воздушный шлюз после прогулки по сухой поверхности, может вызвать разряд, который может вызвать повреждение критически важного электронного оборудования. .Но не всякое статическое электричество является неприятностью: трибоэлектрическая зарядка, если ее контролировать, работает в таких устройствах, как копиры и лазерные принтеры.

Хотя статическое электричество — знакомая тема, многое все еще остается неизвестным о том, как и почему образуются такие заряды. В настоящее время проводятся исследования во многих областях науки и техники, от физики и химии до медицины и метеорологии, по различным аспектам трибоэлектричества. Однако относительно немного ученых занимаются его пониманием на фундаментальном уровне.

Контактная перезарядка между двумя металлами, как известно, является результатом переноса электронов. Но когда хотя бы один из материалов является электрическим изолятором, нет общего понимания того, что переносит заряды с одной поверхности на другую. В разных теориях предлагались электроны или ионы. Электрон — это субатомная частица, несущая отрицательный электрический заряд; электрический ток включает движение электронов в металлическом проводнике. С другой стороны, ион может нести как положительный, так и отрицательный электрический заряд; они известны как катионов и анионов соответственно.Катион имеет меньше электронов, чем протонов, что дает ему положительный заряд. Анион имеет больше электронов, чем протонов, поэтому он имеет отрицательный заряд. Катионы и анионы могут быть атомами, молекулами или фрагментами полимера. Были обнаружены доказательства переноса как электронов, так и ионов в конкретных экспериментальных условиях, но эти данные ограничены и часто противоречат друг другу. Недавно новое исследование продемонстрировало, что перезарядка также может быть результатом физического переноса крошечных количеств поверхностного материала от одного вещества к другому.Понимание того, как это происходит на молекулярном уровне, только начинает появляться. Становится все более очевидным, что одновременно может происходить более одного механизма, и то, что происходит, может зависеть от состава материалов и условий экспериментов способами, которые еще не известны.

Примечательно, что почему перезарядка вообще происходит, когда задействованы изоляторы, еще менее понятно, чем то, как это происходит, хотя внутренняя сложность проблемы уже давно оценена.Как материал, который по определению не проводит электричество, тем не менее, получает электрический заряд? Необходимо ответить на три вопроса: являются ли виды перезарядки электронами или ионами, какова движущая сила перезарядки и что ограничивает перезарядку? Прогресс в поиске конкретных механизмов перезарядки, который традиционно считается проблемой физики, не начался до тех пор, пока не были применены некоторые области химии.

Одна из причин, по которой ответы так медленно поступают, — это отсутствие стимула: большинство исследований, связанных с трибоэлектричеством, применяется для разработки новых технологий и решения проблем, и понимание механизмов перезарядки не требуется для этих целей — за это взимается плата. просто заряд, независимо от того, как и почему это происходит.Однако четкое представление о механизмах зарядки могло бы способствовать полезным целям, когда оно станет доступным .

Безусловно, наиболее важными коммерческими продуктами, основанными на трибоэлектричестве, являются копировальные аппараты и лазерные принтеры (которые используют ту же технологию, что и копировальные аппараты, но включают лазерный ввод), впервые разработанные Xerox Corporation. Электрофотографические копировальные аппараты основаны на двух явлениях: трибоэлектрической зарядке и фотопроводимости. Фотопроводники — это материалы, которые лучше проводят электричество при воздействии света.Воздействие на заряженный фотопроводник светового изображения документа приводит к разрядке освещенной области. Заряженные частицы тонера притягиваются к рисунку изображения на фотопроводнике, переносятся на бумагу и сливаются для получения копии. Тонер подвергается трибоэлектрическому заряду путем смешивания его с носителем, образуя так называемый проявитель. Носители обычно состоят из шариков диаметром 100 микрометров, частично покрытых полимером. Состав тонера и носителя выбирается, среди прочего, для оптимального трибоэлектрического заряда.

Одно время было разумным полагать, что базовое понимание трибоэлектричества может помочь в разработке материалов для проявки. Ранний успех копиров обеспечил такой стимул, но это достижение продолжалось, несмотря на отсутствие прогресса в расшифровке механизмов трибоэлектрической перезарядки с точки зрения переноса электронов или ионов.

Именно в Xerox в 1970-х годах я впервые заинтересовался этим предметом, когда работал химиком-исследователем с целью применения химии для базового понимания того, как трибоэлектрическая зарядка связана с составом материалов.Первые копировальные аппараты Xerox, представленные в 1960 году, имели едва ли приемлемое качество копий, что явилось результатом полностью эмпирических усилий Battelle Memorial Institute по разработке материалов для проявки без какого-либо базового понимания трибоэлектричества. Сложность достижения приемлемого качества копии возрастала в геометрической прогрессии с увеличением скорости процесса, в результате чего появление высокоскоростного копировального аппарата 9200 в 1970-х годах не принесло немедленного успеха — явный признак того, что версия электрофотографии Xerox (которую они назвали ксерографией) ) приближался к своему пределу.

Примерно в то же время Xerox получила доступ к новому виду электрофотографической технологии, которая обеспечивала исключительно высокое качество копий. В нем участвовали проводящие проявители и контроль заряда тонера с помощью добавок, концепция, позже использованная для предоставления первого доказательства механизма переноса ионов при контактной перезарядке. Этот результат явился результатом случайной серии событий, начавшихся с анализа конкурентов — эпизода, который теперь кажется недостающей частью истории Xerox. В 1973 году группу из пяти физиков и одного химика (меня) попросили проанализировать большое количество патентов на копировальные аппараты, выданных Kodak.Каждому из нас была назначена отдельная подсистема копировального аппарата с целью определить, есть ли у Kodak серьезные намерения войти в сферу копировальной техники. Мне было поручено изучить материалы для разработчиков, и я был единственным членом команды, который пришел к выводу, что Kodak действительно планировал выпустить копировальный аппарат. Консенсус возобладал, и, как следствие, когда в 1975 году был представлен первый копировальный аппарат Kodak Ektaprint, Xerox была застигнута врасплох сразу по нескольким направлениям.

Копия Ektaprint появилась у меня на столе с просьбой объяснить руководству Xerox, как Kodak может производить копии значительно лучшего качества по сравнению с лучшими копиями Xerox того времени — с точки зрения покрытия сплошных областей, резкости края печатные буквы и низкий уровень случайной печати на заднем плане.Моя презентация была воспринята с большим недоверием, потому что технология Kodak так сильно отличалась от основных проектных предположений, которых придерживалась Xerox. Из анализа, проведенного разработчиком Kodak, быстро стало очевидно, что качество их изображения является результатом использования проводящего проявителя (с положительно заряженными тонерами) в отличие от изоляционного проявителя (с отрицательным тонером), используемого Xerox.

Положительные тонеры являются результатом эмпирического открытия Kodak агентов управления зарядом, которые генерируют и контролируют положительные заряды путем включения солей четвертичного аммония (состоящих из катиона с центральным атомом азота, присоединенного к четырем углеводородным группам , в паре с анион, такой как ион хлорида).Очевидно, Kodak продемонстрировала научное мастерство своих химиков по сравнению с химиками Xerox! Навыки, необходимые для разработки материалов для электрофотографического проявителя, такие же, как и навыки, необходимые для начала процесса понимания трибоэлектрической зарядки полимеров — навыки, основанные на химии, главное преимущество Kodak, но относительное слабое место в Xerox. Тем не менее, несмотря на это преимущество Kodak, позже компания Xerox сравняла сферу деятельности благодаря необычному стечению обстоятельств.

Разница в качестве копий была настолько велика, что в Xerox сразу же осознали необходимость использования технологии Kodak.Физики Xerox страстно изучали, как высокое качество изображения стало возможным благодаря использованию проводящих проявителей. Была создана группа химиков для производства и тестирования тонеров, содержащих большое количество различных солей четвертичного аммония в проводящих проявителях. Результатом этой деятельности стала серия по меньшей мере дюжины патентов, основанных непосредственно на конструкции Kodak, поданных в период с 1978 по 1985 год и выданных Xerox в период с 1980 по 1987 год; Я был соавтором нескольких из этих достижений. Примечательно, что компания Kodak никогда не оспаривала эти патенты.Запатентованная технология Kodak для производства копий, превосходящая качество копий Xerox и IBM, дала ей возможность доминировать на рынке копировальных устройств, но компания не сумела воспользоваться этим преимуществом и позже отказалась от производства копировальных устройств. При каких обстоятельствах Kodak отдала свою жемчужину в короне копировальной техники, особенно хорошо зарекомендовавшему себя конкуренту — предмету некоторого интереса в свете нынешнего состояния Kodak? Может ли это быть связано с жалобой Федеральной торговой комиссии (FTC) на Xerox в 1973 году по обвинению в недобросовестной конкурентной практике? Xerox предпочла урегулировать дело вместо судебного разбирательства.В рамках мирового соглашения Xerox была обязана выдать конкурентам лицензию на все патенты, относящиеся к копировальным аппаратам, но взамен «Xerox может потребовать перекрестную лицензию на любые патенты любого лицензиата…». Почему Xerox согласилась на такое обременительное урегулирование в деле, правовые вопросы которого были относительно равномерно сбалансированы, согласно заявлениям Фредерика М. Шерера, тогдашнего главного экономиста FTC? Было ли это главным образом для того, чтобы получить доступ к патенту Kodak в США № 3 893 935, заявившему о превосходных материалах для проявки, которые угрожали будущему Xerox?

Технология электрофотографической визуализации Xerox достигла предела в 1970-х годах, для которого их исследовательские лаборатории не могли найти решения, и она была спасена от этой потенциально опасной бизнес-проблемы, приняв на вооружение технологию Kodak — проводящие материалы для проявки с положительно заряженным тонером.Я играл центральную роль в анализе Kodak и до сих пор имею оригинальную документацию, но, что удивительно, эти разработки не включены ни в какие исторические отчеты о технологии копировальных устройств Xerox. Действительно, один из авторов истории Xerox лично изучал кондуктивных разработчиков и опубликовал свои результаты в другом месте в 1987 году. Конкурентный анализ является стандартной деловой практикой, поэтому можно удивляться такой избирательности в исторической документации.

Физик Xerox и выдающийся изобретатель сделал комментарий о патентных стратегиях Kodak на семинаре по интеллектуальной собственности в рамках программы Lemelson-MIT в 2003 г. на тему: Как интеллектуальная собственность поддерживает творческий процесс изобретения? Он заявил: «Kodak чаще использовала коммерческую тайну [чем патенты] … Они предпочли бы хранить свои изобретения в качестве коммерческой тайны, потому что они не хотели, чтобы срок их действия истек.Это действительно любопытный комментарий, учитывая тот большой вклад, который патенты Kodak внесли в технологию Xerox, и особенно потому, что это замечание было сделано в присутствии председателя семинара, бывшего старшего руководителя Xerox, который был менеджером по физике в корпорации в 1970-х годах. .

Вследствие событий Kodak-Xerox компания Xerox нашла решение своих проблем с изображениями — и мотивация для фундаментальных исследований трибоэлектричества в Xerox была потеряна.

Трибоэлектричество было классифицировано как проблема в физике твердого тела, потому что контактная зарядка между двумя металлами была хорошо изучена с точки зрения физики переноса электронов.Движущей силой этого переноса является разница между работой выхода металлов, энергией, необходимой для удаления электрона с поверхности металла. Для контактов металл-полимер исследователи обнаружили линейную зависимость между плотностью заряда, создаваемого на полимере, и работой выхода металла, что было представлено в качестве доказательства механизма переноса электрона. Позже сообщалось, что эта взаимосвязь не всегда присутствует, но это несоответствие было объяснено трудностью получения воспроизводимых результатов из-за множества задействованных переменных и возможности более чем одного одновременного механизма.

Для зарядки между двумя изоляторами физики разработали теории, основанные на предположении о механизме переноса электрона. Хотя эти теории не вносят вклад в вопрос о природе видов перезарядки, эти теории имели спорный успех в рассмотрении движущей силы , для перезарядки с точки зрения «эффективных рабочих функций» изоляторов. Эта концепция сомнительна, поскольку в изоляторах нет свободных электронов. Но такие теории были более успешными в объяснении предела перезарядки с точки зрения электрического поля, создаваемого зарядами в некоторых случаях.В других случаях накопление заряда ограничивается, когда окружающее электрическое поле становится достаточно большим, чтобы превысить диэлектрическую прочность окружающего воздуха, отделяя электроны от молекул воздуха и превращая его из изолятора в проводник, таким образом утекая ток. из материала.

Очевидно, что физического подхода было недостаточно для решения многопрофильной проблемы, но преобладающая физическая культура в Xerox не признавала этого ограничения.В конце концов химик Xerox сделал уступку, изучив модели электронной структуры органических полимеров, уделяя особое внимание тем, которые имеют высокоупорядоченные группы с жесткими периодическими массивами атомов, некоторые из которых обладают почти металлическими свойствами. Он пришел к выводу, что «описание электронной структуры этих материалов требует введения понятий, более знакомых в области электрохимии и физической химии, чем физика твердого тела».

Прошло два десятилетия после открытия компанией Kodak агентов контроля заряда тонера, когда исследователи использовали этот подход к разработке, пример химической концепции мобильных ионов, , чтобы получить доказательства механизма переноса ионов для трибоэлектрической зарядки.Многие исследователи внесли свой вклад в это крупное достижение, в том числе Артур Диас из исследовательского центра IBM Almaden в Сан-Хосе, Говард Мизес и Ло Кок-Йи из Xerox Corporation, а также Логан Маккарти и Джордж Уайтсайдс из Гарвардского университета. Мобильный ион может свободно переноситься с одной поверхности на другую, потому что у него есть противоион с противоположным зарядом , который либо значительно больше и имеет меньшую подвижность, либо прикреплен к полимеру и не имеет свободы переноса. В случае молекул и полимеров, содержащих подвижный ион, механизм перезарядки действительно связан с переносом этого иона как со знаком заряда, так и с его величиной.Но движущая сила этого механизма остается неуловимой. Обмен заряда равной величины также может происходить, когда полимеры не содержат подвижных ионов, поэтому должен работать дополнительный механизм. В 2008 году Маккарти и Уайтсайдс нашли ответ в своей гипотезе гидроксид-иона, согласно которой молекулы воды в тонком водном слое между полимерами диссоциируют с преимущественной адсорбцией образующихся гидроксид-ионов (OH ^— ) на одной поверхности. Электрокинетические данные подтвердили их гипотезу.Но эксперименты в 2011 году Бартоша Гржибовски и его группы в Северо-Западном университете, разработанные для проверки этой гипотезы, показали, что перезарядка может происходить между двумя неионными полимерами при полном отсутствии воды, что подразумевает механизм, полностью отличный от обоих предложенных гидроксидов. ионная гипотеза и ионный перенос в целом. Однако их результат не исключает механизма гидроксид-иона в присутствии воды, возможно, представляя другую ситуацию, в которой одновременно может применяться более одного механизма.

Основные достижения в понимании методов переноса заряда были зарегистрированы за последние несколько лет, и во всех них зарядка является результатом приложения значительного количества механической силы между двумя полимерами, в частности, при прессовании, трении и срезании контактов. В настоящее время в этой области происходит революция благодаря применению анализа поверхности — электрического, химического и электрохимического. Давно известно, что контакт полимера с другим материалом может привести к переносу части полимера с одной поверхности на другую; Также было установлено, что в макроскопическом масштабе трибоэлектрически заряженная поверхность может иметь как положительные, так и отрицательные области.В 2011 году, используя микроскопию силы Кельвина — анализ электрических свойств поверхности с высоким разрешением — Гжибовски и его команда продемонстрировали, что перенос материала может сопровождаться перезарядкой на наноскопическом уровне, когда два полимера прижимаются друг к другу в разное время и в разной степени. давления, а затем разделены. Такая перезарядка была неожиданной. На протяжении веков считалось, что при такой контактной зарядке одна поверхность заряжается равномерно положительной, а другая — однородно отрицательной.Группа обнаружила, что, хотя каждая поверхность развивает чистый заряд положительной или отрицательной полярности, каждая поверхность также поддерживает случайную мозаику противоположно заряженных областей в наноскопических размерах. Суммарный заряд на каждой поверхности представляет собой арифметическую сумму положительно и отрицательно заряженных доменов. Этот вывод означает, что происходит обмен большего количества зарядов, чем предполагалось ранее. Заряд — это не событие, затрагивающее одну из 10 000 поверхностных групп, а больше порядка одного заряда в 100 поверхностных группах.

Различные типы спектроскопии и химического анализа поверхностей выявили окисленные частицы, которые, как считается, ответственны за заряд. Этот механизм переноса материала был значительным достижением в том, что он представляет собой первый отход от механизмов переноса электронов / ионов, а также впервые учитывает движущую силу для перезарядки. Сжатие двух полимеров вместе с последующим разделением вызывает перемещение небольших комков материала между поверхностями.Для того, чтобы этот обмен произошел, ковалентные связи должны быть разорваны, с образованием фрагмента полимера свободных радикалов на обоих сайтах разрыва. Свободные радикалы — это атомы или молекулы, имеющие неспаренные электроны, которые вызывают их высокую химическую реактивность, и считается, что они реагируют с окружающим кислородом и водой с образованием заряженных частиц.

В 2012 году Фернандо Галембек и его коллеги из Университета Кампинаса в Бразилии продвинули этот механизм передачи материала на шаг вперед.Тефлон и полиэтилен были срезаны вместе — прижаты и скручены друг относительно друга. После разделения команда обнаружила макроскопические домены или паттерны, как положительно, так и отрицательно заряженные, аналогичные тем, о которых сообщила группа Гржибовски. Материалы, извлеченные с поверхностей с помощью растворителей, были идентифицированы как полимерные ионы. Остатки тефлона были преимущественно отрицательно заряжены, а остатки полиэтилена были преимущественно положительно заряжены. Команда Галембека предложила такой механизм: высокая температура в точках контакта с трением приводит к пластификации и / или плавлению полимера.Сдвиговые силы вызывают разрывы цепей полимерных молекул, образуя свободные радикалы полимерных фрагментов. Перенос электрона от полиэтиленовых радикалов к более электроотрицательным тефлоновым радикалам преобразует эти свободные радикалы в положительные и отрицательные ионы полимера, соответственно, которые известны как амфифилы. Заряженные макроскопические домены образуются из-за комбинации двух факторов: известно, что амфифилы на границах раздела сортируются в массивы, когда они находятся в типе полярной среды, создаваемой ионами, а тефлон и полиэтилен не смешиваются.

Сравнение работ Галембека и Гжибовски показывает сложное взаимодействие между свойствами полимера и природой контакта, влияющим на механизм перезарядки. Вклад каждого из факторов, идентифицированных Galembeck в механизме переноса материала, зависит от вязкоупругих, топографических, химических и других свойств конкретных используемых полимеров, а также от природы контакта. Например, легкость разрыва связи будет различаться между полидиметилсилоксаном (PDMS), полимером с кремний-кислородной основой, используемым Гржибовски, и полимерами на основе углеродной основной цепи, используемыми Galembeck.Можно ожидать, что степень плавления или пластификации будет меньше в легких контактах с низким коэффициентом трения, чем в контактах со сдвигом или сильным трением, из-за более низких температур, в дополнение к влиянию внутренних свойств полимера, таких как стеклование температура (когда материал меняет свои свойства текучести без изменения молекулярной структуры). Но разрыв полимерной цепи мягкого полимера, такого как PDMS, может происходить при более низких температурах в контактах с низким давлением и низким коэффициентом трения из-за запутывания полимерных цепей на границе раздела, которые разрываются при разделении.Такие зацепления усиливаются в кремний-кислородных полимерах основной цепи за счет присутствия олигомеров (фрагментов полимеров) и циклических олигомеров (где фрагменты имеют кольцевую структуру). Эти вещества находятся в состоянии динамического равновесия ; , они постоянно модифицируются из-за постоянного размыкания и размыкания кремний-кислородных связей, но не имеют чистых изменений. В механизме передачи материала движущей силой для создания зарядов является вклад механической энергии во время контакта полимеров.

Недавно были достигнуты успехи в исследованиях трения контактов между двумя полимерами. В 2008 году Чонг-ян Лю и Аллен Бард из Техасского университета в Остине и независимо Торибио Отеро из Политехнического университета Картахены в Испании предложили механизм переноса электронов на основе того, что после разделения поверхности могли индуцировать несколько электрохимических реакций, которые могут быть вызваны только электронами. Их интерпретация была оспорена в 2011 году Сильвией Пиперно и ее коллегами из Института науки Вейцмана в Израиле, которые предложили механизм переноса ионов, основанный на переносе материала, содержащего полярные частицы.В 2011 году Николаус Кнорр из лаборатории материаловедения Sony в Штутгарте, Германия, сообщил также о трущихся контактах между двумя полимерами.

Трибоэлектрическая зарядка возникает в результате контакта между поверхностями, но то, что именно подразумевается под каждым из этих терминов, не определено и не понимается, поскольку они относятся к зарядке. Мой интерес был сосредоточен на следующих вопросах: как механизмы трибоэлектрического заряда связаны с глубиной поверхности полимера (глубина проникновения заряда ), и как эта глубина изменяется в зависимости от природы контактов? В новаторских экспериментальных планах использовалось множество различных типов контактов, но, очевидно, не было предпринято никаких усилий для изучения этого фактора как контролируемой первичной переменной.Во многих исследованиях трибоэлектрической зарядки полимеров не принималось во внимание тот факт, что полимеры обычно не являются композиционно или морфологически однородными в зависимости от глубины.

Хорошо известно, что добавки с низкой поверхностной энергией в полимерах будут мигрировать на поверхность, если пленки изготовлены из раствора, чтобы обеспечить термодинамическое равновесие компонентов. Я использовал это явление, работая в Xerox в середине 1970-х годов, чтобы исследовать глубину проникновения заряда. Был получен ряд полимеров, состав которых, определенный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, был разработан таким образом, чтобы он отличался от известных составов в массе.Трибоэлектрический заряд определялся каскадом небольших (100 и 250 микрометров) шариков, как из чистого металла, так и с полимерным покрытием, поверх наклонных полимерных пленок, отлитых на алюминиевые пластины, методом с установленной точностью и воспроизводимостью. Отскакивающие контакты были легкими и короткими, с расчетным временем контакта 0,00001 секунды. Неожиданным открытием стало то, что контактная зарядка между двумя полимерами относится к их самым верхним молекулярным слоям, а между металлом и полимером — к слоям, находящимся под поверхностью полимера.Гипотеза заключалась в том, что первое является результатом переноса ионов между самыми верхними поверхностями, а второе включает туннелирование электронов в объем, таким образом постулируя связь между механизмом зарядки и глубиной проникновения заряда, что подтверждается тем фактом, что ионы, как известно, адсорбируются на полимер. Считается, что поверхности и электроны зарываются в них.

Принимая во внимание новые доказательства механизма переноса материала, я впоследствии сообщил, что приведенные выше результаты могут быть одинаково хорошо интерпретированы переносом материала: контакт полимерной пленки с шероховатой твердой металлической поверхностью из-за ее более широкого применения. усилие выкалывает более глубокий слой, чем при контакте с более гладкой и мягкой полимерной поверхностью.Отсюда следует, что механизмы переноса электронов, ионов и материала могут происходить одновременно, в зависимости от материалов и условий контакта. Для контактов металл-изолятор механизм переноса электронов при некоторых обстоятельствах достаточно установлен. Для контакта между двумя изоляторами вопрос заключается в том, является ли перенос материала единственным или преобладающим механизмом во всех контактах.

Альтернативные концепции включают порог приложенной силы или энергии, ниже которого переносится недостаточное количество материала, чтобы вызвать перезарядку, или континуум типов контактов, в которых происходит перенос электронов, ионов и материала, с возрастающим участием последнего с возрастающей силой. или приложенное давление.В этом контексте интересны количественные доказательства переноса ионов, сделанные Лоу и его коллегами в 1995 году. Тонер, покрытый солью цезия, осторожно перемешивали с носителями, покрытыми полимером. Были обнаружены линейные корреляции между перезарядкой и степенью переноса цезия в зависимости от времени перемешивания, что является убедительным доказательством механизма переноса ионов цезия. Подвижные ионы по самой своей природе переносятся легче, чем фрагменты полимера, что требует разрыва связи. Может ли это означать, что механические силы между тонером и носителем были слишком низкими для одновременного переноса фрагментов полимера? Существует ли иерархия механизмов перезарядки, так что несколько механизмов могут вносить вклад в начисление платы в соответствии с их положением в рейтинге, пока не будет достигнута предельная зарядка? В поддержку этой теории группа Лоу обнаружила те же корреляции между зарядкой и переносом ионов с носителями из чистого металла, что указывает на то, что перенос подвижных ионов, если они есть, имеет место вместо переноса электронов, что было продемонстрировано в различных экспериментах путем корреляции с металлические рабочие функции.

Явление, которое продолжает озадачивать экспериментаторов, заключается в том, что контактная зарядка происходит между материалами одинакового состава. Как указано в обзорной статье 2011 года Дэниела Дж. Лакса и Р. Мохана Шанкарана из Университета Кейс Вестерн Резерв, «Еще один открытый вопрос — это контактная электризация, которая возникает, когда два изоляционных материала с одинаковыми физическими свойствами соприкасаются, поскольку нет очевидной движущей силы. , непонятно, почему происходит перенос заряда ». Зарядка идентичных материалов противоречит давней и чрезмерно упрощенной концепции трибоэлектрической серии , , где материалы ранжируются в соответствии с их склонностью к положительному или отрицательному заряду.Материал заряжается положительно по отношению ко всем материалам, находящимся ниже в ряду, что означает, что для зарядки контакта необходимо различие в составе. Тем не менее, заряд происходит, когда идентичные полимеры либо сжимаются, либо натираются друг с другом, симметрично или асимметрично. Асимметричное трение полимерных пленок происходит, когда небольшая площадь одного полимера контактирует с большей площадью другого. Направление зарядки зависит от используемых материалов.

Как это часто бывает, именно такие неожиданные явления могут предоставить важную механистическую информацию.Я предложил механизм перезарядки между идентичными материалами как расширение концепции, согласно которой глубина, с которой материал переносится с поверхности полимера, увеличивается с приложенной силой. Асимметричное трение приводит к неравным силам, приложенным к каждой поверхности, так что материал будет передаваться с разной глубины. Поскольку полимеры обычно неоднородны по своему вертикальному составу, эта асимметрия может вызвать перенос материала разного состава, что приведет к появлению суммарных зарядов разных знаков на разделенных биполярно заряженных поверхностях.

В качестве альтернативы, различия в степени и типе механической силы, приложенной к каждой поверхности, могут привести к незначительным различиям в механохимии , химических реакциях, возникающих в результате приложения механической силы. На двух поверхностях, где происходит перезарядка, могут быть созданы достаточно разные составы ионов полимерных фрагментов.

Этот новый механизм может также применяться к симметричному трению и прессованию идентичных полимеров на том основании, что небольшие непреднамеренные степени асимметрии могут привести к достаточному асимметричному переносу состава, что приведет к зарядке.Это в равной степени применимо к зарядке между материалами разного состава и, таким образом, способствует пониманию общего механизма переноса материала. Различия в твердости или мягкости также могут способствовать асимметричному переносу материала. Использование полимеров, имеющих неоднородность состава в зависимости от глубины, таких как те, которые описаны в экспериментах ранее, могло бы обеспечить чувствительную проверку этой гипотезы, поскольку перенос материалов с различным составом можно было бы легко обнаружить.

Трибоэлектрическая зарядка идентичных по составу материалов также происходит с твердыми частицами, например, во время пыльных бурь и промышленных операций с мелкими частицами. Опять же, такие случаи могут происходить из-за асимметричных контактов, которые возникают из-за различий в размере частиц. Более крупные частицы заряжаются положительно, а более мелкие — отрицательно. Был предложен механизм переноса электронов, в котором электроны, захваченные в поверхностных состояниях с высокой энергией, переходят в состояния с более низкой энергией в других частицах во время столкновения.Предыдущие исследования проводились с предположением, что состав поверхности и другие характеристики поверхности не меняются в зависимости от размера частиц, что могло быть неверным.

Существует возрастающая потребность в создании материалов, которые не заряжаются при контакте, что, возможно, наиболее важно из-за продолжающейся миниатюризации электронного оборудования, что делает его еще более уязвимым к повреждению даже при низковольтном разряде. Другая мотивация — чистое исследование, цель которого — понимание природных явлений и наблюдаемых фактов без какого-либо конкретного применения или решения проблем.Что касается контакта между двумя полимерами, исследования взаимодействия между переменными, относящимися к полимерному составу и типу контакта, должны пролить свет на такие ключевые вопросы, как: Для контактов с полимерами, содержащими подвижные ионы, какие факторы влияют на вклад ионного переноса по сравнению с переносом материала? И когда речь идет о металле, какие факторы влияют на вклад электронов в перенос материала по сравнению с переносом материала?

Кроме того, недавние разработки привлекли внимание к необходимости применения механохимии, которая играет центральную роль в механизме переноса материала.Объединение отдельных частей головоломки в целостную общую картину потребует многодисциплинарных усилий. Сложные проблемы все чаще требуют участия нескольких научных дисциплин. Исследования показали, что средний размер групп, необходимых для выпуска рецензируемых публикаций за последние 50 лет, увеличивался на 20 процентов каждое десятилетие. Вполне вероятно, что эта когда-то только физическая область будет продолжать расти и находить ответы во многих других областях науки.

• Байтекин, Г.Т., А.З. Паташинский, М. Браницки, Б. Байтекин, С. Сох и Б.А. Гжибовски. 2011. Мозаика поверхностного заряда при контактной электрификации. Наука 333: 308–312.
• Бурго, Т. А. Л., Т. Р. Д. Дукати, К. Р. Франциско, К. Дж. Клинкспур, Ф. Галембек и С. Э. Галембек. 2012. Трибоэлектричество: Макроскопические структуры заряда, образованные самоорганизующимися ионами на полимерных поверхностях. Langmuir. DOI: 10.1021 / la301228j
• Castle, G. S. P. 2008. Контактная зарядка между частицами; некоторое текущее понимание. Протоколы Ежегодного собрания ESA по электростатике Документ M1. http://www.electrostatics.org/images/ESA_2008_M1.pdf
• • Герцог, К. Б. и Д. Хейс. 2001. Колыбель ксерографии. Промышленный физик 7 (2): 39–41. http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-7/iss-2/p39.pdf
  • Duke, C. B., J. Noolandi и T. Thieret. 2002. Наука о поверхности — ксерография. Наука о поверхности 500: 1005–1023.
  • Хейс, Д. 1987.Электрические свойства токопроводящих двухкомпонентных ксерографических проявителей. Транзакции IEEE в отраслевых приложениях IA-23 (6): 970.
  • Jadwin, T. A., A. N. Mutz и B.J. Rubin. 1975. Электрографический тонер и состав проявителя. Патент США 3893935.
  • Лакс, Д. Дж. И Р. М. Шанкаран. 2011. Контактная электрификация изоляционных материалов. Физический журнал D: Прикладная физика 44: 453001.
  • Лерер, Дж. 2011. Трудность совершения новых открытий. Wall Street Journal Review, 7 февраля.
  • Маккарти, Л. С. и Г. М. Уайтсайдс. 2008. Электростатический заряд из-за разделения ионов на границах раздела. Angewandte Chemie International Edition 47: 2188–2207.
  • Myers, M. B., et al. 2003. Как интеллектуальная собственность поддерживает творческий процесс изобретения? Программа Lemelson-MIT. http://web.mit.edu/invent/n-pressreleases/downloads/ip.pdf
  • Шерер, Ф. М. 2010. Полвека исследований по экономике патентов. Журнал ВОИС: анализ и обсуждение вопросов интеллектуальной собственности 2: 20–27.
  • Уильямс, М. В. 2012. Трибоэлектрическая зарядка изоляционных полимеров — некоторые новые перспективы. AIP Advances 2: 010701.
  • Wuchty, S., B. F. Jones и B. Uzzi. 2007. Растущее доминирование команд в производстве знаний. Наука 316: 1036–1039 .

Откуда берется статическое электричество и как оно работает

Статическое электричество — неотъемлемая часть повседневной жизни.Это повсюду вокруг нас, иногда забавное и очевидное, например, когда волосы встают дыбом, иногда скрытые и полезные, как когда они запряжены электроникой в ​​вашем мобильном телефоне. Сухие зимние месяцы — высокий сезон для досадного недостатка статического электричества — электрических разрядов, подобных крошечным ударам молнии, всякий раз, когда вы касаетесь дверных ручек или теплых одеял, только что вынутых из сушилки для одежды.

Статическое электричество — одно из старейших научных явлений, которые люди наблюдали и описывали. Греческий философ Фалес Милетский сделал первый отчет; в шестом веке до нашей эры.C. писал, что если янтарь натереть достаточно сильно, к нему начнут прилипать мелкие частицы пыли. Триста лет спустя Теофраст продолжил эксперименты Фалеса, натерев различные виды камней, а также обнаружил «силу притяжения». Но ни один из этих натурфилософов не нашел удовлетворительного объяснения увиденному.

Прошло еще почти 2000 лет, прежде чем было впервые придумано английское слово «электричество», основанное на латинском «electricus», что означает «подобный янтарь».«Некоторые из самых известных экспериментов были проведены Бенджамином Франклином в его стремлении понять основной механизм электричества — что является одной из причин, почему его лицо улыбается от 100-долларовой банкноты. Люди быстро осознали потенциальную пользу электричества.

Конечно, в 18 веке люди в основном использовали статическое электричество в фокусах и других представлениях. Например, «эксперимент с летающим мальчиком» Стивена Грея стал популярной публичной демонстрацией: он использовал лейденскую банку, чтобы зарядить молодежь, подвешенную на шелковых шнурах, а затем показал, как он может переворачивать страницы книги с помощью статического электричества или поднимать небольшой объекты, просто используя статическое притяжение.

Опираясь на идеи Франклина, в том числе его осознание того, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным, и что общий заряд всегда сохраняется, мы в настоящее время понимаем на атомном уровне, что вызывает электростатическое притяжение, почему оно может вызывать мини-молнии и как использовать то, что может мешать, в различных современных технологиях.

Что это за крошечные искры?

Статическое электричество сводится к силе взаимодействия между электрическими зарядами.В атомном масштабе отрицательные заряды переносятся крошечными элементарными частицами, называемыми электронами. Большинство электронов аккуратно упаковано внутри материи, будь то твердый и безжизненный камень или мягкая живая ткань вашего тела. Однако многие электроны также находятся прямо на поверхности любого материала. Каждый материал удерживает эти поверхностные электроны со своей собственной характеристической силой. Если два материала трутся друг о друга, электроны могут вырваться из «более слабого» материала и оказаться на материале с более сильной силой связи.

Этот перенос электронов — то, что мы называем искрой статического электричества — происходит постоянно. Печально известные примеры — это дети, скатывающиеся с горки на игровой площадке, шаркающие ноги по ковру или кто-то, снимающий шерстяные перчатки, чтобы пожать руку.

Но мы чаще замечаем его действие в засушливые зимние месяцы, когда воздух имеет очень низкую влажность. Сухой воздух является электрическим изолятором, а влажный воздух — проводником. Вот что происходит: в сухом воздухе электроны захватываются на поверхности с большей силой связи.В отличие от влажного воздуха, они не могут найти путь обратно к поверхности, откуда они пришли, и они не могут снова обеспечить равномерное распределение зарядов.

Статическая электрическая искра возникает, когда объект с избытком отрицательных электронов приближается к другому объекту с меньшим отрицательным зарядом — и избыток электронов достаточно велик, чтобы электроны «подпрыгивали». Электроны текут от того места, где они скопились — например, на вас после того, как вы прошли по шерстяному ковру — к следующему предмету, с которым вы соприкасаетесь, не имеющему избытка электронов — например, к дверной ручке.

Когда электронам некуда деться, заряд накапливается на поверхности, пока не достигнет критического максимума, и разрядится в виде крошечной молнии. Дайте электронам место для движения — например, вытянутый палец — и вы наверняка почувствуете удар.

Сила Mini Sparks

Хотя иногда это раздражает, величина заряда статического электричества обычно довольно мала и довольно невинна. Напряжение может примерно в 100 раз превышать напряжение типичных розеток.Однако об этих огромных напряжениях не о чем беспокоиться, поскольку напряжение — это всего лишь мера разницы в зарядах между объектами. «Опасная» величина — это ток, который показывает, сколько электронов течет. Поскольку обычно в статическом электрическом разряде передается всего несколько электронов, эти разряды довольно безвредны.

Тем не менее, эти маленькие искры могут быть фатальными для чувствительной электроники, такой как аппаратные компоненты компьютера. Небольшой ток, переносимый всего несколькими электронами, может быть достаточно, чтобы случайно их поджарить.Вот почему работники электронной промышленности должны оставаться «заземленными». Быть заземленным означает просто поддерживать проводное соединение с землей, что для электронов выглядит как пустая магистраль «домой». Заземлиться легко, прикоснувшись к металлическому компоненту или держа ключ в руке. Металлы — очень хорошие проводники, поэтому электроны с радостью отправляются туда.

Более серьезная угроза — электрический разряд вблизи горючих газов. Вот почему желательно заземлить себя, прежде чем прикасаться к насосам на заправочных станциях; Вы не хотите, чтобы случайная искра воспламенила паразиты бензина.Или вы можете приобрести антистатический браслет, который широко используется рабочими в электронной промышленности для безопасного заземления людей перед тем, как они начнут работать с очень чувствительными электронными компонентами. Они предотвращают накопление статического электричества с помощью проводящей ленты, которая обвивается вокруг вашего запястья.

В повседневной жизни лучший способ уменьшить накопление заряда — использовать увлажнитель, чтобы увеличить количество влаги в воздухе. Также большое значение может иметь поддержание вашей кожи влажной с помощью увлажняющего крема. Сушильные салфетки предотвращают накопление заряда во время сушки одежды, нанося небольшое количество смягчителя ткани на ткань.Эти положительные частицы уравновешивают свободные электроны, а эффективный заряд сводится к нулю, а это значит, что ваша одежда не выйдет из сушилки липкой и прилипшей друг к другу. Вы можете натереть ковры кондиционером для белья, чтобы предотвратить накопление заряда. И последнее, но не менее важное: одежда из хлопка и обувь на кожаной подошве — лучший выбор, чем шерстяная одежда и обувь на резиновой подошве, если у вас действительно есть статическое электричество.

Использование статического электричества

Несмотря на неудобства и возможные опасности статического электричества, оно определенно имеет свои преимущества.

Многие повседневные применения современных технологий в значительной степени зависят от статического электричества. Например, аппараты и копировальные аппараты Xerox используют электрическое притяжение для «приклеивания» заряженных частиц тона к бумаге. Освежители воздуха не только создают приятный запах в комнате, но и действительно устраняют неприятные запахи, снимая статическое электричество с частиц пыли, тем самым устраняя неприятный запах.

Точно так же в дымовых трубах современных заводов используются заряженные пластины для уменьшения загрязнения. По мере того, как частицы дыма поднимаются вверх по дымовой трубе, они собирают отрицательные заряды с металлической сетки.После зарядки они притягиваются к пластинам на других сторонах дымовой трубы, которые заряжены положительно. Наконец, заряженные частицы дыма собираются на поддоне с собирающих пластин и могут быть утилизированы.

Статическое электричество также нашло свое применение в нанотехнологиях, где оно используется, например, для улавливания одиночных атомов лазерными лучами. Затем этими атомами можно манипулировать для любых целей, например, в различных вычислительных приложениях. Еще одно захватывающее применение в нанотехнологиях — это управление наношариками, которые с помощью статического электричества можно переключать между надутым и свернутым состоянием.Эти молекулярные машины однажды смогут доставлять лекарства в определенные ткани тела.

Статическое электричество прошло два с половиной тысячелетия с момента его открытия. Тем не менее, это любопытство, неприятность, но также доказано, что это важно для нашей повседневной жизни.

---

Себастьян Деффнер — доцент кафедры физики Университета Мэриленда, округ Балтимор. Соавтором этой статьи является Мухаммед Ибрагим, системный инженер компании, занимающейся разработкой экологического программного обеспечения. Он проводит совместные исследования с доктором.Себастьян Деффнер о сокращении вычислительных ошибок в квантовой памяти. Эта статья переиздана из The Conversation по лицензии Creative Commons. Прочтите оригинальную статью.

Статическое электричество — Использование и опасность статического электричества — Редакция GCSE Physics (Single Science) — Другое

Вы можете получить электростатический разряд , если вы электрически «заряжены» и прикоснетесь к чему-то заземленному, или если вы повторно заземлен, и вы касаетесь чего-то заряженного.

Например, когда вы идете по виниловому полу или нейлоновому ковру, вы «заряжаетесь» из-за трения. Вы можете заземлить себя и получить электростатический разряд, прикоснувшись к металлической дверной ручке, водопроводной трубе или даже к другому человеку.

В этом слайд-шоу мужчина улавливает электроны, когда идет по ковру:

1. Ковер покрыт электронами

2. Когда человек идет, он собирает электрические заряды

3. Когда они пожимают друг другу руки, электрический разряд проходит через женщину, вызывая у нее шок

Проблемы со статикой

Вот несколько примеров проблем, связанных со статикой:

• это неприятность, когда пыль и грязь притягиваются к изоляторам, таким как экраны телевизоров и мониторы компьютеров.
• неприятно, когда одежда из синтетических материалов прилипает друг к другу и к телу, особенно сразу после того, как она была в сушильной машине.

Антистатические спреи, жидкости и тряпки предотвращают накопление заряда. позволяя ему уводить прочь.

Опасность статического электричества

В облаках может накапливаться статическое электричество. Это может вызвать образование огромной искры между землей и облаком. Это вызывает молнию — поток заряда в атмосфере.

Вот несколько примеров опасностей, связанных со статическим электричеством:

• Это опасно, когда есть горючие газы или высокая концентрация кислорода. Искра может воспламенить газы и вызвать взрыв.
• Опасно прикасаться к чему-то, на что нанесен большой электрический заряд. Заряд пройдет через ваше тело, вызывая поражение электрическим током . Это может вызвать ожоги или даже остановку сердца. Человек мог умереть от поражения электрическим током.

Заправка самолетов и заправщиков также представляет особую опасность. Если топливо, проходящее по шлангу к транспортному средству, будет накапливать статический заряд, возникающая искра может воспламенить топливо.