Феномен статичної електрики відомий давно, і кожен із нас стикається з проявами його майже щодня. Під час одягання або знімання одягу із синтетичного матеріалу, контакту з екраном телевізора або комп'ютера часто виникає відчутний електричний розряд. У сучасному світі ефект статичної електрики отримав широке практичне застосування (друкарські та копіювальні апарати, фарбування). Однак розряд статичної електрики може призвести і до трагічних наслідків.
Вперше можливості статичної електрики викликати виникнення вибуху та пожежі були виявлені в 1893 р. американцем Ріхтером, який намагався покращити процес сухої хімчистки одягу та спробував ввести порошок магнезії в бензол, що використовується в процесі чищення, для збільшення струмопровідності.
У паливній та хімічній індустрії проблему виникнення зарядів статичної електрики почали глибоко вивчати на початку 30-х рр. після декількох вибухів на заводах компанії SHELL. На морському транспорті вивченням цієї проблеми зайнялися дещо пізніше, у середині 60-х рр., знову ж таки після серії вибухів на танкерах, які перевозили сиру нафту. Було проведено фундаментальні дослідження в галузі виникнення зарядів статичної електрики на танкерах при різних технологічних операціях та визначено міжнародні вимоги щодо запобігання утворенню електростатичних розрядів.
Розглянемо природу утворення електростатичного заряду.
Причини виникнення зарядів статичної електрики.Існує три етапи, що послідовно призводять до виникнення небезпеки займання горючих сумішей при впливі статичної електрики, а саме:
Поділ заряду;
Накопичення заряду;
Розряд статичної електрики.
Відомо, що атоми складаються з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються негативно заряджені частинки електрони. Сума всіх негативних зарядів у тілі за абсолютним значенням дорівнює сумівсіх позитивних зарядів у ньому, тому в цілому тіло електрично нейтральне і не має заряду.
Електрони, що знаходяться на периферійних орбітах атома, можуть порівняно легко залишати своє місце та переходити на орбіти атомів іншого тіла чи речовини. Той атом, який втратить електрони, відчуватиме їх недолік і отримає позитивний заряд. Атом-же, на орбіти якого перейде електрон, що відірвався, матиме надлишок електронів, а заряд його стане негативним. Інакше висловлюючись, при переміщенні електронів з орбіти одного атома на орбіту іншого відбувається перерозподіл зарядів, і навіть один атом отримує позитивний заряд, а інший негативний. Такі заряджені атоми називаються іонами.
При електризації тіл заряди не утворюються, а лише поділяються: частина негативних зарядів переходить з одного тіла на інше.
Наприклад, при терті ебонітової палички об вовну, ебоніт отримує негативний заряд, а вовна заряджається позитивно.
Перетеклих електронів відбувається тільки у разі взаємодії атомів з різною щільністю електронів.
Щоразу, коли в контакт входять два неоднорідні матеріали, на поверхні, що розділяє ці матеріали, відбувається поділ заряду. Ця поверхня може розділяти два тверді тіла, тверде тіло і рідина або дві рідини, що не змішуються. На поверхні розділу заряд одного знака, наприклад позитивного, переміщається від матеріалу А до матеріалу таким чином, що ці матеріали стають відповідно позитивно і негативно зарядженими. Поки матеріали А та В нерухомі та контактують один з одним, заряди знаходяться надзвичайно близько один до одного. У такому разі незначна різниця потенціалів між зарядами протилежного знака не становить жодної загрози.
Інтенсивний поділ зарядів відбувається внаслідок таких дій, як:
Проходження потоку рідини через труби або дрібнокомірчасті фільтри,
Осадження частинок твердого тіла або рідини, що не змішується, через іншу рідину,
Викид дрібних крапель або частинок із сопла,
Сплескування або збовтування рідини при її зіткненні з твердою поверхнею,
Сильне тертя один про одного деяких матеріалів.
Коли заряди роз'єднуються, з-поміж них утворюється велика різниця потенціалів. При цьому в навколишньому просторі відбувається розподіл різниці потенціалів, інакше кажучи, формується електричне поле (тобто під час миття танка при розпиленні рідини електростатичне поле виникає у всьому обсязі танка).
Якщо в електростатичне поле помістити незаряджений провідник, то він отримає приблизно такий самий потенціал, як і поле, в якому він знаходиться. Більш того, поле приводить в рух заряди всередині провідника, заряд одного знака притягується полем до одного кінця провідника, на іншому кінці провідника формується рівний за величиною заряд протилежного знака. Заряди, розділені таким чином, називаються індукованими, вони накопичуються в електростатичному полі.
Заряд може виникати і там, де не відбувається безпосереднього контакту між зарядженими тілами, а також при впливі на матеріал іншого зарядженого тіла, що викликає формування позитивних та негативних іонів. Наприклад, при проходженні грозової хмари над високою будівлею або судном, в останніх формуються позитивні та негативні іони, хоча безпосереднього контакту між матеріалами чи зарядами не було. Це призводить до того, що те саме речовина або тіло може нести протилежні заряди.
Навколо зарядженого тіла відбувається формування електричного поля, свого роду відображення простору навколо зарядженого тіла. У двох протилежних точках електричного поля визначається різниця потенціалів у вольтах. Напруженість електрвстатнческвге пвля визначається в вольтах на метр (В/м).
В однорідному електричному полі напруженість поля визначається як різниця потенціалу на метр. Розмір напруженості поля визначає можливість виникнення розряду. У сухому повітрі іскровий електричний розряд може статися при величині напруженості електричного поля близько 3000000 В/м. Однак якщо помістити в поле заземлений провідник, навіть при слабкій напруженості поля можна отримати значний електричний розряд.
Накопичення заряду.Раніше розділені заряди прагнуть знову з'єднатися між собою та нейтралізувати один одного. Цей процес відомий як релаксація заряду. Якщо один з матеріалів або обидва ці матеріали, що несуть електростатичний заряд, мають низьку струмопровідність, то повторне з'єднання зарядів утруднено і даний матеріал акумулює (накопичує) заряд на собі.
Час, протягом якого зберігається заряд, характеризується часом релаксації
даного матеріалу, яке співвідноситься з його струмопровідністю. Чим менша струмопровідність
матеріалу, тим більший період релаксації заряду.
Якщо ж провідність матеріалу висока, то заряди з'єднуються дуже швидко, тим самим перешкоджаючи процесу їхнього роз'єднання, внаслідок чого відбувається дуже незначне акумулювання заряду або він не акумулюється зовсім. Матеріал з такою провідністю може зберігати або акумулювати заряд тільки в тому випадку, якщо він оточений діелектриком. При цьому швидкість втрати заряду залежатиме від часу релаксації діелектрика.
Можна сміливо сказати, що найважливішим чинником, визначальним час релаксації матеріалу, є його електропровідність.
Всі матеріали за ступенем їх струмопровідності умовно можна поділити на три основні групи.
Перша група -провідники.До твердих провідників належить більшість металів, а рідких - цілий діапазон водних розчинів солей, включаючи морську воду. Людське тіло, що більш ніж на 60% складається з води, також є провідником електричного струму. До важливих властивостей рідких провідників належить як їх нездатність утримувати електричний заряд, якщо де вони ізольовані, а й майже миттєве розрядження, якщо вони ізольовані і є можливість електричного розряду. Іншими словами, отриманий заряд поширюється рівномірно по всьому матеріалу, а при зіткненні із заземленням миттєво зникає.
Дуже часто розряди між двома провідниками відбуваються у вигляді іскри, в такому разі вони набагато небезпечніші, ніж розряди, що виникають між провідником та діелектриком. При релаксації заряду між провідником та діелектриком виникають не іскрові, а коронні чи кистьові розряди.
Друга група -діелектрики чи ізолятори.Якщо заряд виникає лише у місці зіткнення чи роз'єднання матеріалів, такі матеріали називаються діелектриками.
Заряджені діелектрики доставляють заряд у місце, де може статися безпосередній контакт заряду з провідником. Сильно заряджені діелектрики можуть безпосередньо ініціювати займисті іскри. Рідини розглядаються як діелектрики, якщо їх провідність менше 50 пикоСименс на метр (пСм/м) з періодом релаксації не більше 0,35 с. Такі рідини часто називають що акумулюють статичну електрику.До них відносяться чисті нафти та чисті нафтопродукти (дистиляти), зріджені гази.
Третя групає рядом рідин і твердих матеріалів з проміжною струмопровідністю. Яскравий приклад – темні нафти, сирі нафти, спирти, ацетон та ін.
Коли напруженість електричного поля досягає певної величини, може статися розряд поля, що має різні форми. Для займання пароповітряної суміші необхідно щоб електростатичний розряд був досить потужним. Було встановлено, що для запалення пароповітряної суміші пропану достатньо, щоб між електродами стався розряд із виділенням енергії 0,2 мДж,а для займання пароповітряної суміші аміаку буде потрібно розряд в 600 разів потужніший.
Існують такі форми електростатичних розрядів.
Корона- Іонне випромінювання блакитнуватого кольору. Його можна побачити на гострих кутах або вантах за певних погодних умов. Це сяйво відоме під назвою "Вогні Святого Ельма". Таке випромінювання не несе у собі достатньо енергії для виникнення полум'я.
Північне, чи полярне, сяйво- це слабкі промені, сформовані з дуже маленьких іскор, що випромінюються зарядженими гострими кутами або виступами конструкцій у напрямку заряджених хмар або туману. Таке світіння може виникнути в танках супертанкерів, воно також не несе достатньої енергії для виникнення полум'я.
Іскравиникає тільки у тому випадку, якщо напруженість електричного поля досягає деякої критичної величини. Іонний промінь збільшується із підвищенням напруженості поля, і кінцевий результат такого збільшення – виникнення справжньої іскри. При велику напруженість поля утворюється розряд, більш відомий як блискавка. Однак якщо ми помістимо в електричне поле заземлений провідник, то виникне іскровий розряд, достатній для займання суміші навіть за малих величин напруженості поля.
Валуєв Н.С. 1
Биндич Т.М. 1
1 Муніципальна бюджетна освітня установа «Середня загальноосвітня школа № 50» м. Калуги
Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF
Вступ
Всі ми знайомі із явищем під назвою електричний струм. Коли електрони по провіднику рухаються з пункту А пункт Б, шляхом роблячи ще деяку роботу, яку задає їм людина. Розжарити праску, остудити холодильник, показати нам цікавий фільм. Вони – електрони – як зграя маленьких мурашок, разом здатні гори згорнути. А дроти для них – єдино можливий шлях, з різними завданнями та перешкодами на ньому. Електрони вільно біжать по дротах, тому що дроти виготовлені зі спеціальних матеріалів - провідників. І тут начебто все зрозуміло. Але є матеріали, що не проводять електрику - діелектрики. Вони не дають електронам рухатися. І тут все начебто теж зрозуміло: немає електричного струму.
Однак ви здивуєтеся, що на поверхні діелектрика може утворитися така напруга, яку не знайдеш в жодній розетці. У сотні тисяч і навіть мільйони Вольт! І це також електрика. Люди звуть його "Статичну електрику". Тому що наші "мурашки" нікуди не біжать - вони стоять на місці. Однак, бажання їх бігти таке велике, що деяку відстань вони можуть "перестрибнути", створюючи тим самим видовище, що зачаровує, - електричний розряд або блискавку.
Повзольте вам уявити наше дослідження статичної електрики (далі - СЕ), цілі якого:зрозуміти, що таке СЕ; побачити СЕ, а для цього збудувати відповідний прилад; отримати СЕ за допомогою бурштину та вовни; побачити блискавку без хмари, а можливо навіть навчитися левітувати; і, нарешті, зробити висновки з отриманих результатів та запропонувати власний варіант використання СЕ.
Завдання у рамках дослідження:
Вивчити прояви СЕ у побуті та на виробництві;
Побудувати прилад виявлення СЕ;
Дослідити корисні властивості СЕ та небезпеки пов'язані з його накопиченням;
Поставити експерименти щодо отримання та використання СЕ;
Зробити висновок щодо дослідження СЕ та застосувати отриманий досвід.
Предмет дослідження:причини виникнення та накопичення СЕ, можливі шляхи запобігання накопиченню СЕ, способи його утилізації та варіанти використання СЕ на благо людства. Об'єктом дослідженняє статична електрика.
Гіпотеза:вивчивши джерела виникнення, властивості, принцип дії та існуючі способи застосування статичної електрики, ми спробуємо поставити її на службу людства.
Новизна:науково-обґрунтоване використання статичної електрики – нового відновлюваного джерела енергії.
Глава I
1.1 Визначення та властивості.
Статистична електрика- Сукупність явищ, пов'язаних з виникненням, збереженням та релаксацією вільного електричного заряду на поверхні або в об'ємі діелектриків або на ізольованих провідниках.
Зазвичай атом перебуває у рівноважному стані завдяки однаковій кількості позитивних і негативних частинок - протонів і електронів. Електрони можуть легко переміщаються від одного атома до іншого. При цьому вони формують позитивні (де відсутній електрон) або негативні (одиночний електрон або атом із додатковим електроном) іони. Коли відбувається такий дисбаланс, виникає статична електрика.
1.2 Причини виникнення та способи прояву.
Основними причинами виникнення СЕ можна назвати:
Контакт між двома матеріалами та їх відокремлення один від одного (включаючи тертя, намотування/розмотування тощо).
Швидкий температурний перепад (наприклад, у момент поміщення матеріалу в духову шафу).
Радіація з високими значеннями енергії, УФ-випромінювання, рентгенівські X-промені, сильні електричні поля.
Різальні операції (наприклад, на розкрійних верстатах).
Наведення (викликане статичним зарядом виникнення електричного поля).
Поверхневий контакт та поділ матеріалів, можливо, є найбільш поширеними причинами виникнення статичної електрики на виробництвах, пов'язаних із обробкою рулонних плівок та листових пластиків. Статичний заряд генерується в процесі розмотування/намотування матеріалів або переміщення один щодо одного різних шарів матеріалів.
1.3 Проблеми та небезпеки, пов'язані зі статичною електрикою
Якщо об'єкт має здатність накопичувати значний заряд, і якщо має місце висока напруга, статична електрика призводить до таких серйозних проблем, як іскріння, електростатичне відштовхування/притягання або електроураження персоналу.
Статичний розряд у електроніці.Струм розряду породжує тепло, що призводить до руйнування з'єднань, переривання контактів та розриву доріжок мікросхем. Висока напруга знищує тонку оксидну плівку на транзисторах.
Електростатичне тяжіння/відштовхування.Це найбільш поширена проблема, що виникає на підприємствах, пов'язаних з виробництвом та обробкою пластмас, паперу, текстилю та у суміжних галузях. Вона проявляється в тому, що матеріали самостійно змінюють свою поведінку - склеюються між собою або, навпаки, відштовхуються, прилипають до обладнання, притягують пил, неправильно намотуються на приймальний пристрій та ін.
Ризик виникнення пожежіРизик виникнення пожежі не є загальною для всіх виробництв проблемою. Але ймовірність займання дуже велика на поліграфічних та інших підприємствах, де використовуються легкозаймисті розчинники.
Статичний удар.Якщо людина знаходиться в електричному полі і тримається за заряджений об'єкт, наприклад, за намотувальну бобіну для плівки, можливо, що його тіло зарядиться і пізніше розрядиться заземлений об'єкт, завдаючи електричної поразки. Крім того, якщо металевий незаземлений об'єкт знаходиться в електричному полі, він може зарядитись наведеним зарядом. Через те, що металевий об'єкт є струмопровідним, рухомий заряд розрядиться в людину, яка стосується об'єкта.
Глава II
2.1 Статична електрика на службі в людини.
Статична електрика у техніці. Коли електризація тіл корисна
Статична електрика може бути вірним помічником людини, якщо вивчити її закономірності та правильно їх використовувати. Давайте розглянемо деякі існуючі засоби застосування СЕ.
Маляр без пензлика
Деталі, що рухаються на конвеєрі, що фарбуються, наприклад корпус автомобіля, заряджають позитивно, а частинкам фарби надають негативний заряд, і вони спрямовуються до позитивно зарядженої деталі. Шар фарби на ній виходить тонкий, рівномірний та щільний. Дійсно однойменно заряджені частинки барвника відштовхуються один від одного - звідси рівномірність шару, що фарбує. Частинки, розігнані електричним полем, з силою ударяються об виріб - звідси щільність фарбування. Витрата фарби знижується, оскільки вона осідає тільки на деталі. Метод фарбування виробів в електричному полі зараз широко застосовують у нашій країні.
Електричні копченості
Копчення - це просочування продукту деревним димом. Частинки диму не лише надають продуктам смаку, але й оберігають їх від псування. При електрокопченні частки коптильного диму заряджають позитивно, а негативним електродом є, наприклад, тушка риби. Заряджені частинки диму осідають на поверхні тушки та частково поглинаються нею. Все електрокопчення триває кілька хвилин; Насамперед копчення вважалося тривалим процесом.
Електричний ворс
Щоб отримати в електричному полі шар ворсу на якомусь матеріалі, треба матеріал заземлити, поверхню покрити клейкою речовиною, а потім через заряджену металеву сітку, розташовану над цією поверхнею, пропустити порцію ворсу. Ворсинки швидко орієнтуються в полі і, розподіляючись рівномірно, осідають на клей строго перпендикулярно до поверхні. Так отримують покриття, схожі на замшу або оксамит. Легко отримати різнокольоровий візерунок, заготовивши порції різного кольору ворсу і кілька шаблонів, якими в процесі електроворсування по черзі прикривають окремі ділянки виробу. Так можна зробити багатобарвні килими.
Як ловлять пил
Чисте повітря потрібне не тільки людям і особливо точним виробництвам. Всі машини через пил передчасно зношуються, а канали їх повітряного охолодження засмічуються. Крім того, часто пил, що відлітає з газами, є цінною сировиною. Очищення промислових газів стало необхідністю. Практика показала, що з цим добре справляється електричне поле. В електричному полі газ у трубі іонізується. Під впливом поля частинки сажі рухаються до труби і осідають на ній, а очищений газ виходить в атмосферу. Трубу іноді струшують, і уловлені частки надходять у бункер. Електричні фільтри на великих теплових електростанціях вловлюють 99% золи, що міститься у вихідних газах.
Змішування речовин
Якщо дрібні частинки однієї речовини зарядити позитивно, а іншої негативно, то легко отримати їх суміш, де частинки розподілені рівномірно. Наприклад, на хлібозаводі тепер не доводиться виконувати велику механічну роботу, щоб замісити тісто. позитивно заряджені крупинки борошна повітряним потоком подаються в камеру, де вони зустрічаються з негативно зарядженими крапельками води, що містить дріжджі. Крупинки борошна та крапельки води, притягуючись один до одного, утворюють однорідне тісто.
2.2. Експерименти зі статичною електрикою.
Детектор СЕ.
Для виявлення статичної електрики ми використовуватимемо статичне поле, утворене ним. З вище сказаного випливає, що щоб навести статичний заряд, достатньо помістити предмет у статичне поле. Отримуючи однойменний заряд, різні частини цього предмета починають відштовхуватися один від одного. Ми використовуємо дві досить легкі пластини фольги, щоб виявити навіть невеликий заряд, провідник до них, а також колбу, що екранує. (Рис. 1)
Статична електрика з бурштину.
Найдавніший із дослідів із електрикою. Колись люди ще не знали, що таке електрика чи електрон у нашому сьогоднішньому розумінні. Проте, вони знали слово “електрон”, що у перекладі з грецької означає бурштин. Саме на розряді наелектролізованого бурштину древні люди вліво побачили електрони, що летять крізь повітря. Набагато пізніше, коли електрон-частка була відкрита, йому дали ім'я електрона-бурштину на честь того самого, тоді незрозумілого явища.
Ми натрімо бурштин вовняним носком, унаслідок чого він отримає заряд. Піднесемо його до металевого предмета та побачимо розряд.
Левітирующее кільце.
Для цього досвіду нам знадобляться повітряна куля, ворсиста тканина, відрізок “дощу”.
Зв'язуємо два кінці відрізка дощу, виходить кільце. Беремо надуту кулю біля основи, максимально далеко від місця, яке електролізуватимемо за допомогою тканини. Натираємо "маківку" кулі. Він отримав заряд, що можна перевірити, піднісши кулю до волосся. Далі кидаємо на кулю кільце. Важливо не торкатися кільця в момент торкання їм кулі.
І, кільце ширяє над кулею, маючи з ним однаковий заряд. Більше того, кільце набуло майже ідеальної круглої форми, оскільки кожна його частина прагне відлетіти від іншої.
2.3. Висновки та пропозиції.
У кожного з нас удома кілька десятків електричних розеток. Сучасна розетка – триконтактна. Два контакти - якими тече електричний струм. Третій контакт використовується для зняття статичної електрики. Воно просто утилізується у землю. У масшабах квартири це невеликі заряди чи потенціали, але у масштабах багатоквартирного будинку чи цілого кварталу – це мегавольти електроенергії. На підприємствах цей показник набагато більший. Все, що пов'язано з тертям, намотуванням та поділом генерує Гігавольти та десятки Гігавольт потенціалу, які теж безцільно утилізуються.
Назад до електромережі повернути цю електрику досить складно, хоча є й такі розробки. Однак, і розкидатися таким потенціалом надто марнотратно. Ми хотіли б запропонувати незвичайний спосіб застосування статичної електрики:
Складання складних молекулнаприклад білків. Починаємо з простих молекул і, поступово, "приклеюємо" до нього потрібні нам речовини, заряджаючи ті чи інші потрібними нам зарядами. Так можна побудувати молекулу без складних хімічних реакцій та довгих біологічних процесів. Уявіть, що, з одного боку, наша проста молекула, а з іншого в окремих контейнерах різні речовини з таблиці Менделєєва. За допомогою статичного поля ми повертаємо нашу молекулу потрібним боком, заряджаємо її; а на речовину з менделєєвої таблиці подаємо протилежний заряд. Воно рухається в статичне поле і приєднується до нашої молекули в потрібне місце. І так далі, поки не вийде потрібна нам складна молекула.
Висновок
Що ж, настав час підбити підсумки. Ми вивчили теоретичні засади статичної електрики. Розкрили зміст визначення статичної електрики. Дізналися, що заряд може утворюватися на діелетріках, які зовсім не проводять електрику, але здатні бути причиною його виникнення. Дізналися, що одиницею заряду є кулон, і найменший заряд у природі – (- або +) 1,6 х10 -19 – це заряд електрона та протона. Далі ми вивчили всі можливі способи прояву статичної електрики у повсякденному житті людини та на виробничих підприємствах. Дізналися чим воно небезпечне і що можна зробити, щоб унеможливити можливу матеріальну шкоду або заподіяння шкоди життю та здоров'ю людини.
Далі з'ясували, яким чином СЕ допомагає людині: дозволяє нам фарбувати сухою фарбою, надати більш насиченого смаку продуктам, створити незвичайні матеріали для одягу та взуття, позбавити промислові підприємства від шкідливих викидів, змішати різнорідні речовини швидше та якісніше.
Потім ми збудували прилад для виявлення електростатичного поля з підручних матеріалів. Це прототип приладу для вимірювання електричного зоря - електрометра. Показали як етектростатичний заряд може поляризувати прилад за допомогою поля та передати частину свого заряду йому за допомогою розряду.
Ми провели наочні досліди, що ілюструють електростатичний розряд та електростатичне тяжіння/відштовхування.
На підставі вивченого матеріалу та отриманого в ході експериментів досвіду, нами була розроблена пропозиція щодо збирання складних молекул із простих.
Тема електрики та статичної електрики зокрема цікавила вчених завжди. Найбільші уми займалися виведенням законів та винаходом установок у цій галузі протягом століть. Але, на нашу думку, справжній потенціал кулонівських взаємодій ще не розкритий. Якщо весь Світ тримається за рахунок лише позитивних та негативних зарядів, то енергія їх - майже безмежна. Потрібно просто правильно навчитися їй користуватися. І, можливо вже в наступному столітті, ми житимемо без автомобільних вихлопів, заводів, що коптять трубами, хімічних викидів в атмосферу та воду, бездумного витрачання водних ресурсів, заради видобутку нафти чи виробництва картону... Треба просто трохи подумати. Давайте зробимо це разом. Дякую за увагу!
Список джерел та літератури
Гудилін Є. А. Самозбірка “Словник нанотехнологічних термінів” Роснано, 2012 р.
Казанжі К. К. “Статична електрика. Нове у житті, науці, техніці М:, Знання, 1965 р.
https://ua.wikipedia.org/wiki/Ампер,_Андре-Марі
https://ua.wikipedia.org/wiki/Вольта,_Алессандро
https://ua.wikipedia.org/wiki/Гілберт,_Уїльям
https://ua.wikipedia.org/wiki/Кулон,_Шарль_Огюстин_де
https://ua.wikipedia.org/wiki/Статична електрика
Світ складається із атомів. Це крихітні частинки, з яких побудовано наше тіло, джинси на ногах, сидіння в авто під п'ятою точкою та смартфон із Лайфхакером на екрані.
Усередині атомів є дрібніші елементи: ядро з протонів і нейтронів, а також електрони, що обертаються навколо нього. Протони заряджені зі знаком плюс, електрони – зі знаком мінус.
Зазвичай атом має однакове число таких плюсів і мінусів, тому у нього нульовий заряд. Але іноді електрони залишають орбіти та притягуються до інших атомів. Найчастіше це відбувається внаслідок тертя.
Рух електронів від одного атома до іншого створює енергію, яку називають електрикою. Якщо направити її через провід або інший провідник, то вийде . Його роботу ви наочно бачите, коли заряджаєте смартфон кабелем.
Зі статичною електрикою все інакше. Воно «ледаче», не тече і ніби відпочиває на поверхні. У предмета з'являється позитивний заряд, якщо йому не вистачає електронів, і негативний, коли вони надміру.
Як проявляється статична електрика
1. Електричний розряд
Якщо одягнути на ноги чисті сухі шкарпетки з вовни і пошаркати ними по нейлоновому килиму, можна отримати електричний розряд.
Під час тертя електрони перестрибуватимуть зі шкарпеток на килим і навпаки. У результаті отримають протилежний заряд і захочуть врівноважити число електронів.
Якщо різниця в їх кількості досить велика, ви отримаєте видиму іскру, як тільки торкнетесь шкарпеток до килима.
2. Притягування предметів
Блискавки б'ють у високі будівлі, дерева і землю і спричиняють поломки обладнання.
Як уникнути появи статичної електрики
1. Підвищуйте вологість
Сухе повітря в приміщенні - найкращий друг статичної електрики. Але він практично не проявляється, якщо вологість перевищує 85%.
Щоб підвищити цей показник, регулярно проводьте вологе прибирання та використовуйте зволожувачі повітря.
Коли увімкнено опалення, на батарею можна покласти мокру тканину, щоб вода випаровувалась і робила повітря.
2. Застосовуйте натуральні матеріали
Більшість натуральних матеріалів зберігають вологу, синтетичні – ні. Тому перші менше других схильні до виникнення статичної електрики.
Якщо розчісувати волосся пластиковою гребінцем, воно отримає статичний заряд і почне розлітатися один від одного, псуючи зачіску. Це можна уникнути, використовуючи аксесуари з дерева.
Така ж історія із взуттям на гумовій підошві. Вона провокує створення статичної електрики на тілі. Але устілки з натуральних матеріалів нівелюють його ефект.
Футболки з бавовни, одяг з інших натуральних тканин не створюють статичну електрику. Штучний светр – навпаки.
3. Використовуйте заземлення
За допомогою нього статичну електрику можна відвести у землю. Це стосується не лише громовідводів, які перенаправляють заряд блискавок, а й роботи з електричним обладнанням.
Коли професійний майстер розкриває ноутбук, щоб його від пилу, він обов'язково використовує спеціальний заземлений шнур, закріплений на руці, - антистатичний браслет.
Антистатичний браслет / Aliexpress.com Він потрібний, щоб уникнути попадання розряду статичної електрики від рук на мікросхеми. Інакше він зашкодить їх, і через якийсь час комп'ютер може вийти з ладу.
Порушення балансу між електричними зарядами всередині матеріалу чи його поверхні це виникнення статичної електрики. Заряд зберігається, доки він не буде знятий через протікання електричного струму або розряду. Статична електрика викликається при контакті та розподілі двох поверхонь, і хоча б одна з поверхонь є діелектриком – матеріалом, що не проводить електричний струм. Зі статичною електрикою більшість людей знайомі, оскільки вони бачили іскри в момент нейтралізації надлишкового заряду, відчували на собі розряд і чули супроводжуючий його тріск.
Причини статичної електрики
Речовини складаються з атомів, які у звичайному стані електрично нейтральні, оскільки містять однакову кількість позитивних зарядів (протонів ядра) та негативних зарядів (електронів атомних оболонок). Статична електрика полягає у поділі позитивних та негативних зарядів. При контакті двох матеріалів електрони можуть переходити з одного матеріалу на інший, що призводить до надлишку позитивних зарядів на одному матеріалі і рівному надлишку негативного заряду на іншому матеріалі. При поділі матеріалів утворений дисбаланс зарядів зберігається.
У контакті матеріали можуть обмінюватись електронами; матеріали, що слабо утримують електрони, схильні їх втрачати, у той час як матеріали, в яких зовнішні оболонки атомів не повністю заповнені, схильні захоплювати електрони. Цей ефект називається трибоелектричним і призводить до того, що один матеріал заряджається позитивно, а інший негативно. Полярність і величина заряду при розподілі матеріалів залежить від відносного положення матеріалу в трибоелектричному ряду.
Матеріали розташовуються у ряду, один кінець якого є позитивним, а інший негативним. При терті пари матеріалів матеріал, що знаходиться ближче до позитивного кінця ряду, заряджається позитивно, а інший негативно. Єдиного трибоелектричного ряду (подібного до ряду напруг металів), не існує, як немає і єдиної теорії електризації. Зазвичай ближче до позитивного кінця ряду розміщуються матеріали з більшою діелектричною проникністю.
Порядок проходження матеріалів у трибоелектричному ряду може бути порушений. Так у парі шовк-стело, скло негативно, у парі скло-цинк, негативний цинк, а парі цинк-шовк, негативно заряджається не цинк, як слід очікувати, а шовк. Така відсутність упорядкованості називається трибоелектричним кільцем.
Трибоелектричний ефект – основна причина виникнення статичної електрики у повсякденному житті, при взаємному терті різних матеріалів. Наприклад, якщо потерти повітряну кульку об волосся, вона заряджається негативно, і може притягуватися до позитивно заряджених джерел стіни, прилипаючи до неї і порушуючи закони тяжіння.
Попередження та удалення статичних зарядів
Запобігти накопиченню статики дуже просто – достатньо відкрити вікно або увімкнути зволожувач повітря. Збільшення вмісту вологи в повітрі призведе до збільшення її електричної провідності, аналогічного ефекту можна досягти іонізацією повітря.
Особливо чутливі до статичних розрядів предмети можна захистити нанесенням антистатичного засобу.
Особливо чутливі до розрядів статичної електрики напівпровідникові компоненти електронних пристроїв. Для захисту цих пристроїв зазвичай використовуються струмопровідні антистатичні пакети. Люди, що працюють з напівпровідниковими схемами, часто заземлюють себе антистатичними браслетами, що одягаються на кисть руки. Уникнути утворення статичних зарядів при контакті зі статтю (наприклад, у лікарнях), можна шляхом носіння антистатичного взуття з струмопровідною підошвою.
Розряд
Іскра - це розряд статичної електрики, коли надлишковий заряд нейтралізується потоком зарядів з оточення або до оточення. Електричний удар викликається подразненням нервів при протіканні струму, що нейтралізує, через людське тіло. Запасена енергія статики залежить від розміру об'єкта, електричної ємності, напруги, до якого він виявився зарядженим, та діелектричної проникності навколишнього середовища.
Для моделювання ефекту розряду статики на чутливі електронні прилади, людське тіло представляється як електрична ємність 100 пФ, заряджена до напруги від 4 до 35 кВ. При торканні об'єкта ця енергія розряджається менш ніж мікросекунду. Хоча загальна енергія розряду мала, порядку міліджулів, вона може пошкодити чутливі електронні прилади. Великі об'єкти запасають більше енергії, що становить небезпеку для людей при контакті, або спалахнути іскрою горючий газ або пил.
Блискавка
Блискавка – приклад статичного розряду атмосферної електрики внаслідок контакту частинок льоду у грозових хмарах. Зазвичай значні розряди можуть накопичуватися тільки в областях малої електричної провідністю. Розряд зазвичай настає при напрузі поля близько 10 кВ/см залежно від вологості. Розряд перегріває навколишнє повітря з утворенням яскравого спалаху та звуку тріску. Блискавки – лише масштабний варіант іскри статичного розряду електрики. Спалах виникає внаслідок нагрівання повітря в каналі розряду до такої високої температури, що він починає випромінювати світло, як будь-яке розпечене тіло. Удар грому – наслідки вибухового розширення повітря.
Електронні компоненти
Багато напівпровідникових пристроїв електронних пристроїв дуже чутливі до присутності статики і можуть бути пошкоджені розрядом. При поводженні з наноустроями обов'язково носити антистатичний браслет. Іншим запобіжним заходом є зняття взуття з товстою гумовою підошвою і постійне стояння на металевій заземленій основі.
Утворення статичної електрики в потоках займистих та горючих матеріалів
Розряд статичної електрики становить небезпеку у галузях промисловості, де застосовуються горючі речовини, де маленькі електричні іскри можуть призвести до вибуху. Рух дрібних частинок пилу або рідин з малою електропровідністю в трубопроводах або їх механічне перемішування може спричинити утворення статики. При статичному розряді у хмарі пилу чи пари можливий вибух.
Вибухати можуть зернові елеватори, лакофарбові фабрики, ділянки виробництва скловолокна, паливозаправні колонки. Накопичення заряду в середовищі відбувається при її електричній провідності менше 50 пС/м, при більшій провідності заряди, що утворюються, рекомбінують (рекомбінація – процес, зворотний іонізації), і накопичення не відбувається.
Наповнення великих трансформаторів трансформаторним маслом вимагає дотримання запобіжних заходів, оскільки електростатичні розряди всередині рідини можуть пошкодити ізоляцію трансформатора.
Оскільки інтенсивність утворення зарядів тим вища, що вища швидкість течії рідини і діаметр трубопроводу, у трубопроводах діаметром понад 200 мм швидкість течії рідини обмежується стандартом. Так, швидкість течії вуглеводнів із вмістом води зазвичай обмежується лише на рівні 1 м/с.
Утворення зарядів обмежується заземленням. При провідності рідини нижче 10 пС/м цього заходу виявляється недостатньо і до рідини додаються антистатичні присадки.
Перекачування палива
Перекачування горючих рідин на зразок бензину трубопроводами може призвести до утворення статичної електрики, а розряд може призвести до займання парів палива.
Подібні випадки траплялися на автозаправках та в аеропортах при заправці літаків гасом. Тут також ефективне заземлення та антистатичні присадки. Перебіг газу в трубопроводах становить небезпеку лише за наявності у газі твердих частинок чи крапель рідини.
На космічних апаратах статична електрика становить велику небезпеку внаслідок низької вологості середовища, і з цією небезпекою доведеться рахуватися при здійсненні запланованих польотів на Місяць та Марс. Піші переходи сухою поверхнею можуть викликати утворення величезних зарядів, які можуть пошкодити електронні пристрої.
Озонне розтріскування
Статичні розряди у присутності повітря чи кисню викликають утворення озону. Озон ушкоджує гумові деталі, зокрема веде до розтріскування ущільнювачів.
Енергія статичного розряду
Енергія, що вивільнилася при статичних розрядах, варіюється в широких межах. Розряди енергією понад 5000 мДж становлять небезпеку для людини. Один із стандартів передбачає, що предмети споживання не повинні створювати розряд з енергією понад 350 мДж на особу. Максимальна напруга обмежується значенням 35-40 кВ внаслідок обмежуючого фактора коронного розряду. Потенціал нижче 3000В зазвичай людиною не відчувається. Проходження пішки 6 метрів по поліхлорвініловому лінолеуму при вологості повітря 15% викликає утворення потенціалу 12 кВ, тоді як при 80% вологості потенціал не перевищує 1,5 кВ.
Іскра виникає за енергії вище 0,2 мДж. Іскру подібної енергії людина зазвичай не бачить і не чує. Щоб стався вибух у водні, достатньо іскри з енергією 0,017 мДж і до 2 мДж для парів вуглеводнів. Електронні компоненти ушкоджуються при енергії іскри між 2 та 1000 нДж.
Застосування статики
Статична електрика широко використовується в ксерографах, повітряних фільтрах, для фарбування автомобілів, фотокопіювальних пристроях, фарборозпилювачах, принтерах та заправці паливом повітряних суден.
Кожна людина на землі стикалася із природним явищем, коли при виході з автомобіля вона отримує удар струмом. Або коли гладить кішку чути потріскування і відчувається поколювання кінчиків пальців. А в темряві видно доріжки, що світяться, за руками. Таке явище отримало назву статичну електрику.
Воно виникає при накопиченні заряду лежить на поверхні предмета. Це відбувається при порушенні внутрішньоатомної або молекулярної рівноваги.
Внаслідок чого відбувається втрата або придбання електрона. Порушується електронна рівновага та іони набувають позитивного або негативного заряду.
Досліди зі статичною електрикою відомі кожному школяру, коли показували експеримент із ебонітовою паличкою та шматочками паперу.
Причини виникнення
Умовами виникнення потенціалу на предметах є сухість повітря. При вологості повітря 80% це природне явище немає.
- При дотику одного предмета з іншим. Потенціал виникає після їхнього роз'єднання. Тертя, намотування/розмотування штучних матеріалів, тертя корпусу автомобілів про повітря тощо;
- Внаслідок швидкого температурного перепаду. Так, статична електрика виникає на предметах при поміщенні в нагріту піч;
- Радіаційне та ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські Х-промені, сильне електромагнітне та електричне поле;
- Наведення відбувається виникнення електричного поля, викликаного зарядом. Потенціал виникає під час обробки листових чи рулонних матеріалів. Явище виникає у момент поділу матеріалу та поверхні. Такий ефект може статися при переміщенні одного шару щодо іншого. Цей процес ще остаточно не вивчений. Його можна порівняти з роз'єднання обкладок конденсатора. І тут механічна енергія перетворюється на електричну.
Здатність предметів накопичувати заряди негативно впливають на техніку. Якщо не вживати жодних заходів, то можливе пошкодження та вихід її з ладу.
Небезпека явища
Особливо схильні до ризику виходу з ладу засобу електроніки і всі механізми, які використовують електронні блоки управління. На пожежо- та вибухонебезпечних виробництвах внаслідок розряду виникають іскри.
Вони можуть призвести до пожежі чи вибуху. Захист від статичної електрики здатний повністю виключити або суттєво знизити ризик виникнення аварійної ситуації. Основна небезпека – виникнення електричного розряду.
Нагромадженню заряду сприяє сухість повітря та залізобетонні стіни будівель та споруд. Полярність заряду може бути як позитивною, і негативною.
При працюючих пристроях, що мають шків, що обертається з приводними ременями, заряд може досягати 25 000 вольт. При сухій погоді на корпусі автомобіля може накопичуватися електростатична електрика 10 000 вольт.
А людина, яка ходить по килиму в вовняних ноках, здатна накопичити до 6000 вольт. Навіть у побутових умовах напруга статичної електрики може досягати значних значень.
Однак, істотної шкоди людині він заподіяти не здатний через недостатню потужність. Струм, що протікає через людину, становить лише частку міліампера.
У природі таке явище може накопичувати величезні значення і виявляється у розрядах блискавок. З виділенням великих потужностей, які здатні заподіяти значні руйнування.
Засоби захисту у побутових умовах
Для зменшення на людини застосовують систему захисту від шкідливого впливу статичного напруги.
У побутових умовах найефективнішим засобом є збільшення вологості повітря за допомогою зволожувача повітря. Що не лише виключає виникнення напруги на предметах.
Але й скорочує пилоутворення у приміщенні. Зменшення статичної напруги та скорочення пилу в приміщенні поліно для дітей, які страждають на алергію.
Методи захисту на виробничих підприємствах
Для забезпечення захисту від статичної електрики на виробництві застосовують такі методи:
- Розробка спеціальних методик технологічного процесу, що унеможливлюють накопичення заряду на робочому місці;
- У виробничих приміщеннях виробляють мікроклімат;
- При обробці спецодягу та підлоги у приміщенні застосовують речовини з певними фізико-хімічними властивостями, здатними знімати напругу з матеріалів.
- Це робиться для забезпечення заходів щодо безпеки. Шкода статичної електрики на технологічне обладнання зменшують за допомогою «клітини Фарадея».
Вона являє собою кожух, виконаний з дрібної сітки, яку приєднують до заземлення. Так само екранують кабелі, захищаючи їх від шкідливого впливу.
Види розрядів
Розрізняють кілька видів розряду:
- Іскровий розряд. Виникнення іскри між двома об'єктами. Наприклад, корпус обладнання та людина. Якщо потужність розряду буде високою, то висока ймовірність спалаху за наявності парів розчинника або бензину в повітрі;
- Кистовий розряд. Відбувається за концентрації зарядів на гострих кутах устаткування з діелектричними властивостями. Він має меншу енергію і не становить такої небезпеки, як іскровий розряд;
- Ковзаючий розряд. Виникає на листових або рулонних матеріалах із високим питомим опором. Це відбувається в момент тертя або розпилення порошкового покриття. Його можна порівняти з розрядом звичайного конденсатора. І порівняємо з іскровим розрядом із однаковими наслідками.
Додаткові запобіжні заходи
Враховуючи негативні наслідки, на підприємствах вживають спеціальних заходів, що виключають джерела статичної електрики. Виробляють обробку спецівки працівників, що дозволяє знімати статичну електрику, яка унеможливлює виникнення іскри від одягу.
Крім створення умов, за яких зменшується накопичення зарядів, для захисту від статичної електрики застосовують потужні іонізатори повітря.
Такі прилади мають незаперечні переваги. Поліпшення аероіонного складу повітряного середовища приміщення. Що сприяє зменшенню накопичення зарядів на одязі обслуговуючого персоналу, синтетичних килимових покриттях та обладнанні.
Застосування у промисловості
Використання статичної електрики у промисловості не знайшло широкого застосування. Найчастіше далі лабораторних установок справа не йшла. Тому всі прилади використовувалися виключно для демонстрації прикладів статичної електрики у природі.
У промислових установках застосовуються коронні розряди. З їхньою допомогою відбувається очищення повітряних сумішей від домішок. Також створені фарбувальні установки, які використовують статичну напругу. Що дозволяє робити фарбування складних поверхонь з найменшими втратами фарби.
Вплив на людину
Із цим природним явищем ми зустрічаємося не лише на підприємствах. Найчастіше спостерігається статична електрика у побуті.
При знятті одягу чути тріск і видно іскри від розряду, а волосся на голові неможливо розчесати. Ці заряди негативно впливають на стан людей. Вплив таких полів на здоров'я людини та її імунну систему повністю не з'ясовано.
Однак, можна сказати, що перебування у квартирі, де є статична електрика, негативно впливає на людину. Можна відзначити основні порушення:
- Виникають порушення у центральній нервовій системі, які супроводжуються спазмами судин та підвищеним артеріальним тиском;
- Постійний головний біль;
- Дратівливість та емоційна збудливість;
- З'являються порушення сну, і зникає апетит;
- З'являється фобія - страх отримання розряду, який супроводжується хворобливими відчуттями.
Тому дуже важливо знати методи захисту від статичної електрики у побуті. Для цього використовуються такі прийоми як заземлення всіх електроприладів.
Застосування побутових зволожувачів повітря. Регулярно проводити вологе прибирання квартири, бажано вранці та ввечері.
Для того, щоб забезпечити зняття статичної електрики з синтетичних тканин, їх обробляють антистатичними рідинами. Кожна людина повинна знати небезпеку тривалого перебування в полі та використовувати засоби захисту від статичної електрики.