Статическое электричество напряжение. Статическое напряжение. Что такое статическое электричество

Под статическим электричеством подразумевают совокупность явлений, связанных с возникновением электрических зарядов на поверхности диэлектриков или изолированных проводящих тел и различным их проявлением. В основе образования статического электричества лежат очень сложные процессы, зависящие от многих факторов. В настоящее время нет единой теории, объясняющей статическую электризацию, а существует ряд гипотез. Общим для них является положение о том, что при электризации образуется двойной электрический слой, который служит непосредственным источником возникновения статических зарядов (Л. Леб, 1963).

Наибольшее распространение имеет гипотеза контактной электризации вещества. Согласно этой гипотезе электризация происходит при соприкосновении двух различных веществ в силу неуравновешенности атомных и молекулярных сил на поверхности соприкосновения. При этом происходит перераспределение электронов или ионов вещества и образование двойного электрического слоя (по одному на каждой поверхности) с противоположными знаками. Такая электризация наблюдается при контакте металла с полупроводником или диэлектриком, резин и других тел (Й. Староба, Й. Шиморда, 1960). Величина контактной разности потенциалов неодинакова и зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся поверхностей, состояния поверхности, давления между ними, а также от влажности и температуры. При разделении поверхностей каждая поверхность сохраняет свой заряд.

По другим гипотезам, статическую электризацию обусловливают явления эффекта удара и отрыва; поверхностная ориентация нейтральных молекул, содержащих электрические диполи; пьезо-электрические явления при трении, образование электролитов на контактирующих поверхностях и другие процессы. Экспериментально установлено, что электрические заряды накапливаются на поверхности соприкасающихся материалов, диэлектрическая проницаемость которых различна. Положительные заряды накапливаются на поверхности материала, диэлектрическая проницаемость которого больше. Незаряженное, электрически нейтральное, тело означает присутствие в одно и то же время в равных количествах двух противоположных видов зарядов.

Возникновение электрических зарядов на телах сопровождается появлением статического электрического поля (СЭП), в котором они взаимодействуют друг с другом. Отрицательная электризация, т. е. избыток электронов в полимере, не может вызвать подвижности электронов в молекулах и перераспределения их в объеме. За счет избыточных свободных электронов при снижении взаимодействия положительно заряженных частиц могут образовываться дополнительные химические связи, протекать различные химические реакции.

В последние годы получили широкое применение в быту и различных отраслях техники синтетические полимеры. Это - одежда, белье, обувь, покрытия из пластмасс, коврики из латекса и поливинилхлорида, посуда из полиэтилена, корпуса автомашин, судов, самолетов, различного оборудования. Синтетические полимеры представляют собой диэлектрик, на поверхности которого накапливается электрический заряд. Человек может и не подозревать, что на его теле распределяются электрические заряды, но если зарядов накопилось много, он может ощутить их присутствие, прикоснувшись к металлическому предмету, например, к водопроводному крану или к батарее парового отопления. В этом случае человек почувствует удар тока.

Особенно сильно электризация проявляется при контакте резиновой обуви на синтетической подошве с резиновыми дорожками, пластмассовыми покрытиями полов и при трении одежды о тело (К. А. Рапопорт, 1965). При выполнении различных производственных операций или ходьбе по ковру на поверхности тела человека могут возникать электрические заряды до 10- 15 кВ. На некоторых видах одежды из синтетических тканей тоже возникают большие заряды статического электричества - около 3000-5000 В/см.

В химической, текстильной, полиграфической и многих других отраслях промышленности при любом технологическом процессе, где присутствует динамическое взаимодействие (смешение, распыление, перемещение по трубам, "дробление, разделение, механическая обработка диэлектрических материалов, и др.) на поверхности оборудования и обрабатываемого материала образуются электрические заряды. Возникающие при этом СЭП оказывают отрицательное влияние на течение производственного процесса и качество продукции.

Электрические заряды вызывают взаимное отталкивание одноимённо заряженных нитей, слипание листов бумаги, диэлектрической пленки. Создаются значительные трудности в процессе производства, переработки, упаковки и транспортировки синтетических материалов.

В одних случаях заряды быстро стекают в землю, рассеиваются и нейтрализуются, в других - накапливаются на отдельных элементах оборудования. При этом создаются СЭП высоких напряжений, вызывающие электрические разряды. Во взрывоопасных производствах, связанных с применением легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, горючих газов и пылей, искровые разряды статического электричества могут вызывать взрывы и пожары, приводящие к значительным убыткам, увечьям или человеческим жертвам.

Механизм искрового разряда напоминает явления атмосферного электричества. Обладая энергией, в миллионы раз меньшей по сравнению с молнией, разряды статического электричества способны тем не менее поджечь любую горючую смесь, образующуюся или присутствующую в производственных процессах.

Там, где применяются легковоспламеняющиеся среды, реальную опасность их воспламенения от разрядов статического электричества представляет человек. При постоянном контакте с заряженным оборудованием или материалом, а также при ходьбе по пластмассовым полам тело человека, будучи хорошим проводником, накапливает электростатические заряды. Разность потенциалов между телом человека и окружающими предметами может достигать огромных величин - десятков тысяч вольт. И стоит только такому наэлектризованному человеку приблизиться к металлическим заземленным конструкциям, как возникает искровой разряд.

При средней электрической емкости человека 200 пФ и потенциале тела относительно земли 10 000 В величина энергии разряда будет составлять 10 мДж. Это во много раз больше той энергии, которая необходима для воспламенения или взрыва целого ряда взрывчатых веществ, а также паро- и газовоздушных горючих смесей. Например, для воспламенения наиболее чувствительных к тепловому импульсу воздушных смесей водорода, метана или бензола требуется энергия искрового разряда, соответственно, 0,02, 0,33, 0,55 мДж.

Статическое электричество и взрывы могут наблюдаться также при транспортировке сыпучих продуктов или жидкостей по трубопроводам из полимерных материалов. Возникновение зарядов при движении жидкости объясняется гипотезой, предполагающей, что на поверхности раздела жидкой и твердой фаз образуется двойной электрический слой. Любая молекула, расположенная внутри объема жидкости, испытывает со стороны молекул воздействие сил Ван-дер-Ваальса и Кулона. При этом действие всех сил взаимно уравновешивается, тогда как на молекулы, находящиеся в пограничном слое, действуют неуравновешенные силы, направленные к поверхности раздела, создающие силовое и электрическое поле. Ориентированные в этом поле молекулы образуют двойной электрический слой - отрицательно заряженные частицы располагаются с наружной стороны слоя жидкости, положительно заряженные - внутри.

В случае нарушения равновесия двойного слоя, как это наблюдается при движении жидкости, происходит пространственное разобщение зарядов, в результате чего поверхности трубопроводов и жидкости оказываются заряженными электричеством противоположного знака. Величина образующегося электрического заряда возрастает обратно пропорционально скорости течения жидкости, шероховатости и длине трубы. Большие скопления зарядов отмечаются в местах повышенного динамического сопротивления, т. е. при выходе жидкости, на поворотах, в сужениях, расширениях и пр.

Опыты показали, что скорость транспортирования по трубопроводам горючих жидкостей с высоким электрическим сопротивлением порядка 10-10 Ом во избежание скопления опасного потенциала не должна превышать 1 м/с. Для ацетона скорость протекания должна быть не выше 10 м/с.

Для жизни человека разряды статического электричества не представляют смертельной угрозы: они либо кратковременны, либо малых токов. Однако физиологическое воздействие на организм человека они оказывают. Частые разряды статического электричества вызывают нервозность у рабочих, что приводит иногда к нарушению технологических режимов, снижению производительности труда. В результате мышечной реакции, вызванной электрическими ударами возможны механические увечья от подвижных и плохо защищенных частей оборудования. Отмечены случаи падения людей с высоты при получении ударов от разряда статического электричества.

Образование на синтетических материалах статического электричества приводит к быстрому загрязнению их поверхности. В связи с этим возникают определенные неудобства при эксплуатации мебели, осветительных приборов, предметов домашнего обихода, изготовленных из пластмасс и др.

Установлено, что загрязняемость одежды из синтетического волокна в 300-500 раз больше, чем одежды из хлопчатобумажной ткани. При ношении такой одежды из синтетической ткани у человека быстро ухудшается микроклимат, в результате чего нарушается кожное дыхание, теплообмен и т. д.

Электризация синтетических материалов способствует более интенсивному выделению из них составных компонентов (В. А. Цендровская, А. М. Шевченко, 1969) и увеличивает скорость их химической деструкции. Опасность статического электричества, образуемого на поверхности полимеров, заключается еще и в том, что выделяющиеся из них летучие токсичные вещества, приобретая потенциал, легче проникают в организм.

Ученые многих стран сейчас заняты проблемой борьбы с электризацией. Но, оказывается, не каждую электризацию нужно уничтожать. Так, СЭП Земли постоянно влияет на жизнедеятельность организма, но изоляция человека от этого поля неблагоприятно скажется на его самочувствии. Примером может служить плохое самочувствие некоторых лиц во время путешествия в цельнометаллических вагонах и самолетах, когда СЭП Земли экранизируется металлическим корпусом (Ю. Морозов, 1969).

Для измерения электростатических зарядов в естественных условиях используются различные измерительные приборы, применение которых зависит от вида синтетического материала и окружающей среды. Для измерения величины потенциала, накапливаемого на полимерных материалах, в лабораторных условиях создан прибор, моделирующий основные факторы - скорость трения, нагрузку на образцы материалов (К. И. Станкевич, В. А. Цендровская, 1970).

Степень электризации полимерных материалов в значительной мере зависит от химического состава и электропроводящие свойств. Например, электризация поливинилхлоридных (ПВХ) плит на латексной смоле более чем в 20 раз меньше, чем на суспензионной смоле. Низкой степенью электризации обладают ПВХ-плиты, изготовленные на смеси латексной и суспензионной смол. Наименьшей электризуемостью обладают пластмассы, имеющие в своем составе наполнители, обладающие гидрофильными свойствами.

Существенное влияние на электризуемость полимерных материалов оказывает влажность (рис. 1). При влажности 60- 80% величина заряда уменьшается в 2-3 раза. При влажности 80% образуется мономолекулярный слой, что обусловливает потерю способности материала накапливать на поверхности заряды статического электричества. Уменьшение содержания влаги в воздухе приводит к увеличению проводимости полимерного материала.

Адсорбированная на поверхности материала вода при изменении влажности среды десорбируется, а образец в течение нескольких месяцев сохраняет свои диэлектрические свойства. Однако при длительном хранении на воздухе способность пластмасс накапливать заряды статического электричества падает. Это, по-видимому, объясняется деструктивными изменениями

Рис. 1.

Накапливаемого на полимерах, от влажности окружающего воздуха.

Рис. 2.

Накапливаемого на полимерах, при относительной влажности: А- 30%, Б, В-50%, Г, Д - 60%. материала под действием не только воды, но и других факторов внешней среды.

Существует также определенная математическая зависимость между величиной заряда, накапливаемого на полимерном материале, и температурой окружающей среды (рис. 2). Зависимость величины заряда от температуры носит обратный характер - с уменьшением температуры при одной и той же влажности наблюдается увеличение заряда. Однако влияние температуры на величину заряда значительно менее выражено, чем влажности.

Для некоторых синтетических материалов например, одежды на основе нейлона, зависимость от температуры может быть выражена следующей формулой (Capt James, 1963):

Где Q -величина заряда;

А и В = постоянные величины;

Т -температура воздуха.

При исследовании одежды в условиях Крайнего Севера было подтверждено, что расчеты по этой формуле можно проводить для определения электризации при температуре от -45 до 10° С. Зная величины зарядов в условиях двух температур, можно рассчитать величину заряда, возникающего при любой другой температуре.

Из полимеров, используемых для покрытий пола, наибольшей электризуемостью обладают ПВХ-линолеум и плиты. При влажности воздуха 15-30% величина заряда на покрытиях полов из ПВХ-линолеума может достигать около 2000 В. При относительной влажности воздуха и температуре 20±3°С возникает стабильное поле статического электричества, величина которого зависит от наличия и характера электрической аппаратуры. В помещениях с паркетными полами напряженность поля у поверхности пола и на теле человека не превышает 50 В/см. В то же время в помещениях с большим количеством аппаратуры на поверхности пола, покрытого ПВХ-линолеумом, величина заряда достигает нескольких десятков киловольт. При хождении по этим полам на теле рабочих накапливаются заряды до 40 кВ и более. Более низкими электрическими свойствами обладает релин, нитролинолеум, кумароновые плиты.

Исследования электризуемости покрытий пола из полимерных материалов в естественных условиях разных климатических зон СССР показали, что величина заряда статического электричества колеблется в основном в пределах 300-500 В/см. Иногда она достигает 1500-2000 В/см при низкой влажности воздуха (20-25%), в основном на импортных пластиках, содержание связующего вещества в которых составляет около 50% всей массы материала. Мнение о том, что в условиях Заполярья и Казахстана, где бывает низкая относительная влажность атмосферного воздуха (10-20%), электризуемость покрытий пола из полимерных материалов достигает десятков киловольт, не оправдалась. Это обусловлено тем, что низкая относительная влажность отмечается только в открытой атмосфере, а внутри помещения она нивелируется во всех климатических зонах.

При массовом опросе населения, проживающего в помещениях с пластмассовыми покрытиями полов, выявлено, что жалобы на действие статического электричества в основном сводятся к головным болям, быстрой утомляемости, боли в области сердца.

Существенное значение при электризации пластмассовых покрытий пола имеет вид подошвенного материала обуви. Из 9 (ВМШ, кожа, БШ, БМ, ВМ, вулканит, ж, кожволокарнит, войлок) подошвенных материалов наибольшую электризуемость ПВХ-линолеума при 60% влажности воздуха вызывает кожзаменитель марки ВМШ (1400 В), а наименьшую - войлок (710 В).

Величина заряда, возникающего при трении, позволяет не только судить о влиянии электростатического поля в гигиеническом аспекте, но и дать оценку степени электризации по сравнению с потенциалом. Величина потенциала определяется с помощью вольтметра (киловольтметра) и зависит от емкости его. Поэтому одно и то же значение потенциала, регистрируемое с помощью вольтметра, соответствует различному количеству электричества на исследуемой поверхности.

Большое влияние на уровень электризуемости полимерных материалов оказывает мытье полов, оборудования, стирка одежды и т. д. Установлено, что после однократного смачивания и сушки образцов в течение 15 мин величина заряда на их поверхности уменьшается в 2-3 раза, а после многократного смачивания и сушки в течение 14 сут-в 10-12 раз. Следовательно, в условиях эксплуатации после многократной и продолжительной обработки поверхности водой, способность их к накоплению зарядов статического электричества, уменьшается примерно в 10-12 раз.

Известно, что поверхностное сопротивление материалов, определяет его способность к статической электризации (Л. Леб, 1963). Исследования показали, что после кратковременного смачивания и сушки образцов на воздухе в течение 15 мин их поверхностное сопротивление уменьшается в 5-10 раз, а после сушки в течение суток-1,5-3 раза. Если эти образцы подвергнуть многократному смачиванию, то их диэлектрические свойства не восстанавливаются даже через 10 сут после последнего смачивания. Вероятно, это объясняется тем, что образцы содержат в своем составе вещества, которые могут адсорбировать влагу в больших количествах (глину, тальк, барит, известковую муку). Смачивание образцов приводит к поглощению влаги во всем материале. Десорбция из внутренних слоев происходит значительно медленнее, чем с поверхностных.

Из факторов, влияющих на уровень накопления статического электричества на полимерных материалах, следует отметить также нагрузку на образец. Величина заряда прямо пропорциональна нагрузке. Увеличение нагрузки в 2 раза приводит к увеличению заряда в 1,3-1,5 раза.

На уровень электризации синтетических тканей существенное влияние оказывают их проводимость и сорбционные свойства. Наибольшей электризуемостью обладают материалы с низкой проводимостью и сорбционными свойствами (Э. X. Цирин, 1973).

Между электризуемостью тканей и их сорбционными свойствами отмечается четкая корреляция (табл. 3).

Таблица Зависимость электризуемости текстильных материалов от их сорбционных свойств

В сновальном цехе статическое электричество на теле рабочих не регистрируется, а на оборудовании составляет 1 кВ. Примерно в тех же пределах определяются величины статического электричества на технологической линии трикотажной фабрики. Наибольшие уровни статического электричества накапливаются на ворсовальной машине, в частности при изготовлении хлопчатобумажных изделий (до 20-30 кВ), полушерстяных (до 20 кВ), шелковых с вискозой (до 30 кВ), капроновых (до 40 кВ).

Электризуемость рабочих, участвующих в различных технологических процессах, составляет: при работе на ворсовальной машине - от 0,5 до 2 кВ (в зависимости от вида ткани), на стригальной машине - от 1,5 до 3 кВ. В основовязальном цехе и на других участках электризации не наблюдается.

Весьма важной и актуальной задачей является разработка мероприятий, исключающих или снижающих возможность воздействия статического электричества на человека на производстве и в быту. Для снижения электризуемости диэлектриков разработано несколько методов: ионизация окружающей среды, установка специальных приборов - нейтрализаторов и увеличение проводимости материалов. Среди них наиболее эффективным является увеличение проводимости полимеров за счет внесения в их состав антистатических агентов. С помощью этих веществ удаляют статические заряды, которые могут накапливаться на поверхности материала, поэтому они должны быть гидрофильными или ионными по природе.

Применение антистатических препаратов на производствах в нашей стране находится в стадии становления. Результаты первых экспериментальных исследований полимерных материалов с введенными в их состав антистатиками подтвердили перспективность этого метода. Нанесение на поверхность антистатика снижает электризуемость материала в 2-5. раз.

Большое значение имеют антистатические свойства препарата и его количество. Среди изученных 8 антистатических препаратов (стеарокс-6, стеарокс-920, оксалин G-2, синтанол ДТ-7, синтанол ДС-10, оксанол УС-17, оксанол 0-18, препарат ОС-20) наиболее эффективными были оксанол 0-18, оксалин С-2 и синтанол ДС-10.

Основные требования, предъявляемые к антистатическим агентам, следующие. Они должны препятствовать аккумуляции статических зарядов или очень быстро их разряжать. Кроме того, антистатические агенты должны увеличивать поверхностную проводимость пластмасс таким образом, чтобы ассоциированные заряды быстро стекали в окружающую атмосферу. Увеличение поверхностной проводимости может быть достигнуто либо повышением концентрации влаги в материале за счет увеличения гигроскопичности его поверхности или создания органических проводящих слоев.

Одним из эффективных методов снижения аккумуляции статического электричества является уменьшение коэффициента трения между полимером и материалом, контактирующим с ним. Для этого необходимо, чтобы антистатический агент образовывал на поверхности пластмассы резиноподобную пленку.

В настоящее время огромное количество веществ предложено в качестве антистатических агентов. Большинство из них принадлежит к одному из 5 классов: нитросоединения (длинные цепи аминов, амидов и четвертичные основания или соли), сульфокислоты или арилалкилсульфонаты, фосфорсодержащие кислоты или арилалкилфосфаты, полигликоли и их производные, включающие полигликолевые эфиры жирных кислот и полигликольарилалкилпроизводные, многогидролизные спирты и их производные.

Антистатические агенты наносят на поверхность пластмасс или вводят в состав их. Более эффективными являются антистатические добавки, вводимые в состав пластмассы. Материалы, применяемые для этих целей, должны обладать небольшим электрическим сопротивлением и образовывать пленку на поверхности с низкой поверхностной энергией растворов воды или других летучих растворителей.

Эффективность всех антистатических агентов в значительной степени понижается с уменьшением атмосферной влажности. Это, вероятно, связано с тем, что небольшие количества сорбционной влаги оказывают влияние на ионизацию, которая может происходить в неионных антистатических агентах.

Образовывать антистатическую поверхность могут многие химические соединения. В то же время для введения этих веществ в состав полимеров выбор более ограниченный, поскольку их эффективность может быть специфичной для каждого типа пластмассы. Например, четвертичные аммонийные соединения более предпочтительны для использования в полистироле, а полиэтиленгликолевые эфиры - в полиэтилене. Кроме того, эти добавки должны обладать определенной совокупностью свойств. По химическим свойствам они должны обладать определенной совместимостью с пластмассой, так как существуют пределы, при которых эффективность бывает самой высокой. Очень большая совместимость ведет к полному растворению агента в пластмассе. Следовательно, на поверхности материала должно быть всегда определенное количество вещества, сообщающего антистатические свойства. Если поверхностный слой смывается, то антистатик остается в массе материала и не поднимается на поверхность. Весьма низкая совместимость приводит к расслоению массы. Это может произойти с соединением низкого молекулярного веса и привести к такому нежелательному результату, как выпотевание. Опыты и наблюдения в естественных условиях показали, что агент должен обладать средней совместимостью с пластмассой.

Совместимость определяют по способности антистатического агента диффундировать через материал. Это свойство особенно важно и является показателем продолжительности эффективной жизни агента. Очевидно, что соединения с низким молекулярным весом будут свободно перемещаться в массе материала к его поверхности. В таких случаях, несмотря на то что эффективность агента может быть хорошей, его жизнь будет недолгой. При обычном использовании агент может быть легко стерт, а поскольку количество его ограничено, то его активность не может быть продолжительной. В то же время соединения с высоким молекулярным весом или высокой совместимостью будут перемещаться медленнее и активность их будет продолжительней. Кроме того, если совместимость добавки с пластмассой очень высока, то требуется больше антистатического агента, в связи с чем ухудшаются его механические свойства.

Скорость диффузии определяется временем, которое необходимо, чтобы на поверхности создавалась максимальная концентрация, или временем между производством продукта и получением им антистатических свойств. Равновесие между совместимостью и скоростью диффузии можно регулировать двумя методами. Прежде всего действие антистатического агента можно изменять, добавляя второй компонент, при этом увеличивается или уменьшается совместимость и последующее перемещение. Другим способом может быть создание такого антистатического агента, в молекулярную структуру которого входят химические соединения, устанавливающие равновесие между совместимостью и способностью к перемещению. Например, серия спиртовых четвертичных аммонийных соединений может быть приготовлена с различными катионными и анионными соединениями.

Многие антистатические агенты не применяются вследствие их термической нестабильности при производстве и обработке пластмасс. В настоящее время существует мало соединений с устойчивой химической структурой, которые могут дать постоянный антистатический эффект и одновременно выдержать высокую температуру и давление, не разрушаясь. Например, установлено, что четвертичные аммонийные соединения нестабильны при высокой температуре и при обработке пластмасс

Такая реакция опасна не только потому, что добавляемое вещество теряет свои антистатические свойства, но и тем, что освобождается кислота, увеличивающая коррозию оборудования, употребляемого в производстве пластмасс.

Антистатические агенты должны обладать низкой летучестью и нетоксичностью и оказывать длительный антистатический эффект. Предусмотреть продолжительность действия антистатического агента очень трудно, так как в процессе эксплуатации пластмасс постоянно нарушается поверхностный слой его, диффузия и равновесие антистатика.

Вносимые в пластмассу антистатические добавки должны составлять определенный процент по отношению к ней. Оптимальная концентрация антистатических агентов зависит главным образом от их родства к полимеру и поверхности в единице объема, т. е. насколько поверхность частиц в единице объема в добавке больше, чем в полимере. Наблюдения показали, что для образования долговечного поверхностного слоя нужна минимальная концентрация соединений. Дальнейшее повышение концентрации не дает немедленного эффекта, хотя, возможно, при этом образуется резерв для пополнения потерь соединения при распаде.

Агент должен иметь молекулярный вес настолько низкий, чтобы мигрировать к поверхности, и в то же время достаточно высокий, чтобы обладать некоторым сопротивлением и не быть легко удаленным с поверхности. Антистатики должны быть бесцветными или же иметь слабую окраску, так как сильно окрашенные соединения вызывают определенные затруднения в получении бледных тонов.

Действие антистатических агентов должно основываться на одном или нескольких физических явлениях: на гигроскопичности - собирать воду из атмосферы, полярности - агент представляет полярное соединение и проводит ток, вязкости - агент должен иметь такую степень вязкости, чтобы он захватывал электроны, движущиеся к поверхности.

Универсальных антиэлектростатических агентов не может быть, поскольку они определяются видом пластмассы, ее назначением и т. д.

В последнее время большое внимание уделяется изучению биологического действия статического электричества. Этот интерес не случаен. Известно, что статическое электричество, возникающее, например, при ношении хлоринового белья оказывает лечебное действие (К. А. Рапопорт, 1965) при некоторых неврологических заболеваниях (ревматизме, радикулите, плекситах и т. д.). Вероятно, здесь наблюдается тот же эффект, что и при одном из методов электротерапии - франклинизации. Под франклинизацией понимают лечение статическим электричеством, которое включает в себя комбинированное действие ионизированного воздуха, поля высокого напряжения и небольших разрядов между телом и электродами франклинизатора. Однако широкое применение статического электричества как лечебного средства вызывает скептическое отношение. Это объясняется тем, что еще не выяснено, какие явления - физические или химические приводят к улучшению.

В то же время известно, что ионы не только обусловливают кислородную обеспеченность кожи, но и активизируют обменные процессы в клетке. Поэтому при ношении одежды очень важно, какой полярности на ней будет СЭП. Например, при ношении одежды из лавсановой ткани вокруг тела возникает СЭП отрицательной полярности, которое не пропускает аэроионы с отрицательным зарядом. При ношении одежды из искусственной шерсти вокруг тела образуется электростатическое поле с положительным зарядом, препятствующее проникновению аэроионов кислорода в кожу (Н. Н. Алфимов, В. В. Белоусов, 1973).

Биохимические процессы в организме невозможны без обмена электрических зарядов на молекулах белков, жиров, углеводов и солей.

Нарушение проникновения аэроионов может способствовать развитию трофических изменений в коже и рефлекторным путем к ряду других патологических сдвигов в организме, особенно со стороны сердечно-сосудистой и нервной систем.

Экспериментально установлено, что существует тесная корреляция электрического; сопротивления кожи с такими показателями состояния центральной нервной системы, как скрытое время реакции на свет, звук, тепло, а также связь уровня электрического сопротивлений кожи с порогом ощущений, возникающих при разрядах статического электричества (Н. С. Смирницкий, Г. А. Антропов, 1969). Отмечается также индивидуальная чувствительность кожи у людей к действию статического электричества. Вероятно, это объясняется неодинаковым состоянием кожи у различных людей. Кожа может быть жирной, нормальной и сухой. Чем суше, тем больше удельное электрическое сопротивление ее и, следовательно, больше зарядов в ней сохраняется. С возрастом клетки организма, в том числе и эпидермиса, претерпевают некоторые изменения, кожа становится суше. Люди пожилого возраста чаще жалуются на электрические заряды при прикосновении к незаряженным предметам или другому человеку (С. Ю. Морозов, 1969). Высыхает кожа и при частом мытье горячей водой с мылом.

В остром эксперименте обнаружено (Ф. Г. Портнов, 1968), что в результате кратковременного (15-60 мин) действия СЭП 4000 В/см количество эритроцитов, процентное содержание гемоглобина и вегетативные функции организма (частота сердечных сокращений и дыхания) отклоняются от исходного уровня.

В хроническом эксперименте при действии СЭП напряженностью в 2000 ф/см в течение 1,5 мес по 4 ч в день 6 раз в неделю гематологические показатели и состояние сердечно-сосудистой системы статистически достоверно не изменялись. Хронический эксперимент показал тенденцию к ослаблению реактивности организма животных по отношению к действию СЭП.

В условиях производства, где СЭП достигало 30-40 кВ, чаще отмечались заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, нарушения овариально-менструального цикла, грипп и катар верхних дыхательных путей. Эти данные свидетельствуют о том, что у лиц, подвергшихся длительному воздействию СЭП, резистентность организма к инфекционным заболеваниям понижена.

У лиц, подвергающихся воздействию статического электричества, снижается сопротивление кожи к электрическому току, уменьшается сила и выносливость мышц, костей, замедляются нервные реакции на свет и звук, отмечается более высокое количество дней нетрудоспособности, чем у людей, не подвергшихся действию СЭП (Л. И. Максимова, 1972). Под воздействием СЭП значительно снижается рН желудочного сока и сокращается время свертывания крови.

При воздействии СЭП напряженностью 400-500 В/см у экспериментальных животных отмечаются субстанциальные и конформационные изменения в клетках головного и спинного мозга, надпочечниках, печени, почках, селезенке, скелетных мышцах, уменьшается гематокрит, увеличивается время термического свертывания белков плазмы, эозинофилия (Б. М. Медведев, С. Д. Ковтун, 1969). Электрофизиологические исследования функционального состояния периферических нервов свидетельствуют о том, что СЭП увеличивает время скрытого периода, длительность потенциала действия и абсолютную рефракторную фазу возбуждения. Повышение этих показателей во времени авторы рассматривают как некоторое снижение подвижности процессов-возбуждения в нервных волокнах смешанных периферических нервов. Это происходит за счет нарушения клеточной проницаемости для ионов калия и натрия, которая, как известно, непосредственно связана с изменением электрических реакций в клетках.

Установлено, что СЭП напряженностью 500 В/см снижает тактильную и болевую чувствительность, снижает тонус и реактивность сосудистой системы кожи, кровообращение в коже, увеличивает сопротивление кожи, понижает окислительно-восстановительный потенциал (М. Г. Шандала, В. Я. Акименко, 1973). СЭП напряженностью 1000 В/см кроме указанных изменений снижает уровень функциональной стабильности холодовых рецепторов, бактерицидность кожи и величину кожно-гальванических рефлексов, повышает потенциалы в /активных точках сердца и легких. СЭП 250 В/см не вызывает (каких-либо биологических сдвигов, а поэтому рекомендуется как ДУ накопления на одежде. В качестве ДУ накопления/ СЭП на одежде К. А. Рапопорт и соавторы (1973) на основании опроса испытуемых рекомендуют напряженность 300 В/см.

С целью регламентации СЭП, накапливаемого на полимерных материалах, используемых в строительстве, нами проведены исследования на белых крысах в моделируемых условиях (К. И. Станкевич и соавт., 1972). Созданная нами установка состоит из камеры размером 45 X 30 X 13 см. С помощью кронштейнов электроды могут приближаться и отдаляться от камеры, а также изменять свое положение по отношению к камере (горизонтально или вертикально). Это позволяет исследовать влияние направления силовых линий по отношению к телу экспериментальных животных. В камере можно изучать биологическое действие как СЭП, так и его заряда.

В качестве генератора статического электричества используются аэрофранклинизаторы, подключенные к сети. Для контроля за подаваемым аэрофранклинизаторами напряжением в камере устанавливается киловольтметр. Расчет напряженности СЭП (Е) в камере осуществляется по формуле:

Где G - напряжение, отмечаемое на шкале киловольтметра;

Н - расстояние между электродами.

Исследования в моделируемых условиях мы проводили при напряженности СЭП 1800, 1100, 300, 150 В/см, т. е. при наиболее характерных натурных условиях. По данным этих исследований, наиболее чувствительными показателями при действии на организм животных СЭП являются окислительно-восстановительные ферменты - пероксидаза, каталаза, сукцинатдегидрогеназа. При напряжении поля 300 В/см и выше у подопытных животных статистически достоверно снижались активность пероксидазы, пероксидазный и каталазный индексы, однако эти сдвиги начинались лишь со 2-го месяца опыта.

Спустя 2 нед после начала опыта статистически достоверно увеличивалось содержание адреналина в моче, повышалась свертываемость крови и снижалась осмотическая резистентность эритроцитов.

Стабильный характер имело снижение терморезистентности белков плазмы и лейкоцитов крови, а также увеличение количества ионов натрия в плазме крови. Последнее, вероятно, обусловлено повып1енной проницаемостью клеточных мембран под воздействием СЭП. А, как известно, ионы Na+ влияют на возбудимость нервной системы, водный баланс и формирование адаптационных свойств организма. Показатели крови (количество эритроцитов, эозинофилов, ретикулоцитов, процент гемоглобина, содержание сахара) носили фазовый характер, что, по-видимому, можно объяснить раздражающим действием СЭП на кроветворную функцию костного мозга и первоначальным стрессом в организме с последующей адаптацией.

Наряду с исследованиями на животных клиницистами было проведено комплексное обследование обслуживающего персонала междугородной телефонной станции, где электризуемость покрытий пола на основе ПВХ-линолеума и тела рабочих достигает 10-30 кВ. У 71% служащих наблюдались функциональные нарушения со стороны нервной системы, а у 44% - со стороны сердечно-сосудистой. Служащие жаловались на постоянные головные боли, повышенную раздражительность и утомляемость, боль в области сердца, которые усиливались в течение рабочего дня. При гематологических исследованиях установлена выраженная лейкопения и снижение гематокритного показателя.

Таким образом, исследования показали, что величина СЭП 300 В/см является пороговой, а 150 В/см подпороговой и может быть регламентирована как «недействующая».

Весьма важным теоретическим и практическим вопросом рассматриваемой проблемы является выяснение механизма биологического действия СЭП. Из представленных данных видно, что раскрытие механизмов ответных реакций на СЭП представляет значительные трудности.

Б. М. Медведев и С. Д. Ковтун (1969) считают, что в основе механизма биологического действия СЭП лежат нарушения конформационных процессов в. белковых клеточных компонентах как следствие сдвигов электростатических внутриклеточных сил и нарушения клеточного метаболизма. В качестве одного из звеньев механизма биологического действия СЭП Ф. Г. Портнов и соавторы (1973) рассматривают участие адренорецепторов.

Наши исследования свидетельствуют, что в механизме биологического действия СЭП важную роль играет проницаемость клеточных мембран и нарушение активности оксидоредуктаз.

Ю. Л. Холодов (1966) считает, что физиологическое влияние СЭП на организм осуществляется рефлекторным способом. Раздражая окончания тройничного и других нервов, СЭП может вызвать изменение функционального состояния центральной нервной системы. Кроме того, при этом наблюдаются изменение кожной чувствительности, стимуляция капиллярного кровообращения, нормализация сосудистого/тонуса, сдвиг морфологического состава крови, улучшение газообмена и деятельности желудочно-кишечного тракта.

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.

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.

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.

Повседневная деятельность любого человека связана с его перемещением в пространстве. При этом он не только ходит пешком, но и ездит на транспорте.

Во время любого движения происходит перераспределение статических зарядов, изменяющих баланс внутреннего равновесия между атомами и электронами каждого вещества. Он связан с процессом электризации, образованием статического электричества.

У твердых тел распределение зарядов происходит за счет перемещения электронов, а у жидких и газообразных - как электронов, так и заряженных ионов. Все они в комплексе создают разность потенциалов.

Причины образования статического электричества

Наиболее распространенные примеры проявления сил статики объясняют в школе на первых уроках физики, когда натирают стеклянные и эбонитовые палочки о шерстяную ткань и демонстрируют притяжение к ним мелких кусочков бумаги.

Также известен опыт по отклонению тонкой струи воды под действием статических зарядов, сконцентрированных на эбонитовом стержне.

В быту статическое электричество проявляется чаще всего:

при ношении шерстяной или синтетической одежды;

хождении в обуви с резиновой подошвой или в шерстяных носках по коврам и линолеуму;

пользовании пластиковыми предметами.

Ситуацию усугубляют:

сухой воздух внутри помещений;

железобетонные стены, из которых выполнены многоэтажные здания.

Как создается статический заряд

Обычно физическое тело содержит в себе равное количество положительных и отрицательных частиц, за счет чего в нем создан баланс, обеспечивающий его нейтральное состояние. Когда оно нарушается, то тело приобретает электрический заряд определённого знака.

Под статикой подразумевают состояние покоя, когда тело не движется. Внутри его вещества может происходить поляризация - перемещение зарядов с одной части на другую или перенос их с рядом расположенного предмета.

Электризация веществ происходит за счет приобретения, удаления или разделения зарядов при:

взаимодействии материалов за счет сил трения или вращения;

резком температурном перепаде;

облучении различными способами;

разделении или разрезании физических тел.

Распределяются по поверхности предмета или на удалении от нее в несколько междуатомных расстояний. У незаземленных тел они распространяются по площади контактного слоя, а у подключенных к контуру земли стекают на него.

Приобретение статических зарядов телом и их стекание происходит одновременно. Электризация обеспечивается тогда, когда тело получает бо́льший потенциал энергии, чем расходует во внешнюю среду.

Из этого положения вытекает практический вывод: для защиты тела от статического электричества необходимо с него отводить приобретаемые заряды на контур земли.

Способы оценки статического электричества

Физические вещества по способности образовывать электрические заряды разных знаков при взаимодействии трением с другими телами, характеризуют по шкале трибоэлектрического эффекта. Часть их показана на картинке.

В качестве примера их взаимодействия можно привести следующие факты:

хождение в шерстяных носках или обуви с резиновой подошвой по сухому ковру может зарядить человеческое тело до 5÷-6 кВ;

корпус автомобиля, едущего по сухой дороге, приобретает потенциал до 10 кВ;

ремень привода, вращающий шкив, заряжается до 25 кВ.

Как видим, потенциал статического электричества достигает очень больших величин даже в бытовых условиях. Но он не причиняет нам большого вреда потому, что не обладает высокой мощностью, а его разряд проходит через высокое сопротивление контактных площадок и измеряется в долях миллиампера или чуть больше.

К тому же его значительно уменьшает влажность воздуха. Ее влияние на величину напряжения тела при контакте с различными материалами показано на графике.

Из его анализа следует вывод: во влажной среде статическое электричество проявляется меньше. Поэтому для борьбы с ним используют различные увлажнители воздуха.

В природе статическое электричество может достигать огромных величин. При перемещении облаков на дальние расстояния между ними скапливаются значительные потенциалы, которые проявляются молниями, энергии которых бывает достаточно для того, чтобы расколоть вдоль ствола вековое дерево или сжечь жилое здание.

При разряде статического электричества в быту мы чувствуем «пощипывания» пальцев, видим искры, исходящие от шерстяных вещей, ощущаем снижение бодрости, работоспособности. Ток, действию которого подвергается наш организм в быту, отрицательно сказывается на самочувствии, состоянии нервной системы, но он не приносит явных, видимых повреждений.

Производители измерительного промышленного оборудования выпускают приборы, позволяющие точно определить величину напряжения накопленных статических зарядов как на корпусах оборудования, так и на теле человека.

Как защититься от действия статического электричества в быту

Каждый из нас должен понимать процессы, которые образуют статические разряды, представляющие угрозу для нашего организма. Их следует знать и ограничивать. С этой целью проводятся различные обучающие мероприятия, включая популярные телепередачи для населения.

На них доступными средствами показываются способы создания статического напряжения, принципы его замера и методы выполнения профилактических мероприятий.

Например, учитывая трибоэлектрический эффект, лучше всего для расчесывания волос использовать расчески из натурального дерева, а не металла или пластика, как делает большинство людей. Древесина обладает нейтральными свойствами и при трении по волосам не образует заряды.

Для снятия статического потенциала с корпуса автомобиля при его движении по сухой дороге служат специальные ленты с антистатиком, крепящиеся к днищу. Различные их виды широко представлены в продаже.

Если такой защиты на автомобиле нет, то потенциал напряжения можно снимать кратковременным заземлением корпуса через металлический предмет, например, ключ зажигания автомобиля. Особенно важно выполнять эту процедуру перед заправкой топливом.

Когда на одежде из синтетических материлов накапливается статический заряд, то снять его можно обработкой паров из специального баллончика с составом «Антистатика». А вообще лучше меньше пользоваться подобными тканями и носить натуральные материалы из льна или хлопка.

Обувь с прорезиненной подошвой тоже споосбствует накапливанию зарядов. Достаточно положить в нее антистатические стельки из натуральных материалов, как вредное воздействие на организм будет снижено.

Влияние сухого воздуха, характерного для городских квартир в зимнее время, уже обговорено. Специальные увлажнители или даже небольшие куски смоченной материи, положенные на бытарею, улучшают обстановку, снижают процесс образования статического электричества. А вот регулярное выполнение влажной уборки в помещениях позволяет своевременно удалять наэлектризованные частички и пыль. Это один из лучших способов защиты.

Бытовые электрические приборы при работе тоже накапливают на корпусе статические заряды. Снижать их воздействие призвана система уравнивания потенциалов, подключаемая к общему контуру заземления здания. Даже простая акрилловая ванна или старая чугунная конструкция с такой же вставкой подвержена статике и требует защиты подобным способом.

Как выполняется защита от действия статического электричества на производстве

Факторы, снижающие работоспособность электронного оборудования

Разряды, возникающе при изготовлении полупроводниковых материалов, способны причинить большой вред, нарущить электрические характеристики приборов или вообще вывести их из строя.

В условиях производства разряд может носить случайный характер и зависеть от ряда различных факторов:

величин образовавшейся емкости;

энергии потенциала;

электрического сопротивления контактов;

вида переходных процессов;

других случайностей.

При этом в начальный момент порядка десяти наносекунд происходит возрастание тока разряда до максимума, а затем он снижается в течение 100÷300 нс.

Характер возникновения статического разряда на полупроводниковый прибор через тело оператора показан на картинке.

На величину тока оказывают влияние: емкость заряда, накопленного человеком, сопротивление его тела и контактных площадок.

При производстве электротехнического оборудования статический разряд может создаться и без участия оператора за счет образования контактов через заземленные поверхности.

В этом случае на ток разряда влияет емкость заряда, накопленная корпусом прибора и сопротивление образовавшихся контактных площадок. При этом на полупроводник в первоначальный момент одновременно влияют наведенный потенциал высокого напряжения и разрядный ток.

За счет такого комплексного воздействия повреждения могут быть:

1. явными, когда работоспособность элементов уменьшена до такой степени, что они становятся непригодными к эксплуатации;

2. скрытыми - за счет снижения выходных параметров, иногда даже укладывающихся в рамки установленных заводских характеристик.

Второй вид неисправностей обнаружить сложно: они сказываются чаще всего потерей работоспособности во время эксплуатации.

Пример подобного повреждения от действия высокого напряжения статики демонстрируют графики отклонения вольт амперных характеристик применительно к диоду КД522Д и интегральной микросхеме БИС КР1005ВИ1.

Коричневая линия под цифрой 1 показывает параметры полупроводниковых приборов до испытаний повышенным напряжением, а кривые с номером 2 и 3 - их снижение под действием увеличенного наведенного потенциала. В случае №3 оно имеет большее воздействие.

Причинами повреждений могут быть действия от:

завышенного наведенного напряжения, которое пробивает слой диэлектрика полупроводниковых приборов или нарушает структуру кристалла;

высокой плотности протекающего тока, вызывающей большую температуру, приводящую к расплавлению материалов и прожигу оксидного слоя;

испытания, электротермотренировки.

Скрытые повреждения могут сказаться на работоспособности не сразу, а через несколько месяцев или даже лет эксплуатации.

Способы выполнения защит от статического электричества на производстве

В зависимости от типа промышленного оборудования используют один из следующих методов сохранения работоспособности или их сочетания:

1. исключение образования электростатических зарядов;

2. блокирование их попадания на рабочее место;

3. повышение стойкости приборов и комплектующих приспособлений к действию разрядов.

Способы №1 и №2 позволяют выполнять защиту большой группы различных приборов в комплексе, а №3 - используется для отдельных устройств.

Высокая эффективность сохранения работоспособности оборудования достигается помещением его внутрь клетки Фарадея - огражденного со всех сторон пространства мелкоячеистой металлической сеткой, подключенной к контуру заземления. Внутри нее не проникают внешние электрические поля, а статическое магнитное - присутствует.

По этому принципу работают кабели с экранированной оболочкой.

Защиты от статики классифицируют по принципам исполнения на:

физико-механические;

химические;

конструкционно-технологические.

Первые два способа позволяют предотвратить или уменьшить процесс образования статических зарядов и увеличить скорость их стекания. Третий прием защищает приборы от воздействия зарядов, но он не влияет на их сток.

Улучшить стекание разрядов можно за счет:

создания коронирования;

повышения проводимости материалов, на которых накапливаются заряды.

Решают эти вопросы:

ионизацией воздуха;

повышением рабочих поверхностей;

подбором материалов с лучшей объемной проводимостью.

За счет их реализации создают подготовленные заранее магистрали для стекания статических зарядов на контур заземления, исключения их попадания на рабочие элементы приборов. При этом учитывают, что общее электрическое сопротивление созданного пути не должно превышать 10 Ом.

Если материалы обладают большим сопротивлением, то защиту выполняют другими способами. Иначе на поверхности начинают скапливаться заряды, которые могут разрядиться при контакте с землей.

Пример выполнения комплексной электростатической защиты рабочего места для оператора, занимающегося обслуживанием и наладкой электронных приборов, показан на картинке.

Поверхность стола через соединительный проводник и токопроводящий коврик подключена к контуру заземления с помощью специальных клемм. Оператор работает в специальной одежде, носит обувь с токопроводящей подошвой и сидит на стуле со специальным сидением. Все эти мероприятия позволяют качественно отводить скапливающиеся заряды на землю.

Работающие ионизаторы воздуха регулируют влажность, снижают потенциал статического электричества. При их использовании учитывают, что повышенное содержание паров воды в воздухе отрицательно влияет на здоровье людей. Поэтому ее стараются поддерживать на уровне порядка 40%.

Также эффективным способом может быть регулярное проветривание помещения или использование в нем системы вентиляции, когда воздух проходит через фильтры, ионизируется и смешивается, обеспечивая таким образом нейтрализацию возникающих зарядов.

Для снижения потенциала, накапливаемого телом человеком, могут применяться браслеты, дополняющие комплект антистатической одежды и обуви. Они состоят из токопроводящей полосы, которая крепится на руке с помощью пряжки. Последняя подключена к проводу заземления.

При этом способе ограничивают ток, протекающий через человеческий организм. Его величина не должна превышать один миллиампер. Бо́льшие значения могут причинять боль и создавать электротравмы.

Во время стекания заряда на землю важно обеспечить скорость его ухода за одну секунду. С этой целью применяют покрытия пола с малым электрическим сопротивлением.

При работе с полупроводниковыми платами и электронными блоками защита от повреждения статическим электричеством обеспечивается также:

принудительным шунтированием выводов электронных плат и блоков во время проверок;

использованием инструмента и паяльников с заземлёнными рабочими головками.

Емкости с легковоспламеняющимися жидкостями, расположенные на транспорте, заземляются с помощью металлической цепи. Даже фюзеляж самолета снабжается металлическими тросиками, которые при посадке работают защитой от статического электричества.

Что такое статическое электричество

Статическое электричество возникает в случае нарушения внутриатомного или внутримолекулярного равновесия вследствие приобретения или потери электрона. Обычно атом находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных частиц - протонов и электронов. Электроны могут легко перемещаются от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Когда происходит такой дисбаланс, возникает статическое электричество.

Электрический заряд электрона - (-) 1,6 х 10 -19 кулон. Протон с таким же по величине зарядом имеет положительную полярность. Статический заряд в кулонах прямо пропорционален избытку или дефициту электронов, т.е. числу неустойчивых ионов.

Кулон – это основная единица статического заряда, определяющая количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1 ампер.

У положительного иона отсутствует один электрон, следовательно, он может легко принимать электрон от отрицательно заряженной частицы. Отрицательный ион в свою очередь может быть либо одиночным электроном, либо атомом/молекулой с большим числом электронов. В обоих случаях существует электрон, способный нейтрализовать положительный заряд.

Как генерируется статическое электричество

Основные причины появления статического электричества:

• Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).

• Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).

• Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля (нерядовые для промышленных производств).

• Резательные операции (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).

• Наведение (вызванное статическим зарядом возникновение электрического поля).

Поверхностный контакт и разделение материалов, возможно, являются наиболее распространенными причинами возникновения статического электричества на производствах, связанных с обработкой рулонных пленок и листовых пластиков. Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания материалов или перемещения друг относительно друга различных слоев материалов.

Этот процесс не вполне понятен, но наиболее правдивое объяснение появления статического электричества в данном случае может быть получено проведением аналогии с плоским конденсатором, в котором механическая энергия при разделении пластин преобразуется в электрическую:

Результирующее напряжение = начальное напряжение х (конечное расстояние между пластинами/начальное расстояние между пластинами).

Когда синтетическая пленка касается подающего/приемного вала, невысокий заряд, перетекающий от материала к валу, провоцирует дисбаланс. По мере того, как материал преодолевает зону контакта с валом, напряжение возрастает точно также как в случае с конденсаторными пластинами в момент их разделения.

Практика показывает, что амплитуда результирующего напряжения ограничена вследствие электрического пробоя, возникающего в промежутке между соседними материалами, поверхностной проводимости и других факторов. На выходе пленки из контактной зоны часто можно слышать слабое потрескивание или наблюдать искрение. Это происходит в момент, когда статический заряд достигает величины, достаточной для пробоя окружающего воздуха.

До контакта с валом синтетическая пленка с точки зрения электричества нейтральна, но в процессе перемещения и контакта с подающими поверхностями поток электронов направляется на пленку и заряжает ее отрицательным зарядом. Если вал металлический и заземленный его положительный заряд быстро стекает.

Большая часть оборудования имеет много валов, поэтому величина заряда и его полярность могут часто меняться. Наилучший способ контроля статического заряда – это его точное определение на участке непосредственно перед проблемной зоной. Если заряд нейтрализован слишком рано, он может восстановиться до того, как пленка достигнет этой проблемной зоны.

Полярность заряда

Статический заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Для разрядников постоянного тока (AC) и пассивных разрядников (щеток) полярность заряда обычно не важна.

Проблемы, связанные со статическим электричеством

Статический разряд в электронике

На эту проблему необходимо обратить внимание, т.к. она часто возникает в процессе обращения с электронными блоками и компонентами, использующимися в современных контрольно-измерительных устройствах.

В электронике основная опасность, связанная со статическим зарядом, исходит от человека, несущего заряд, и пренебрегать этим нельзя. Ток разряда порождает тепло, которое приводит к разрушению соединений, прерыванию контактов и разрыву дорожек микросхем. Высокое напряжение уничтожает также тонкую оксидную пленку на полевых транзисторах и других элементах, имеющих покрытие.

Часто компоненты не полностью выходят из строя, что можно считать еще более опасным, т.к. неисправность проявляется не сразу, а в непредсказуемый момент в процессе эксплуатации устройства.

Общее правило: при работе с чувствительными к статическому электричеству деталями и устройствами необходимо всегда принимать меры для нейтрализации заряда, накопленного на теле человека.

Электростатическое притяжение/отталкивание

Это, возможно, наиболее широко распространенная проблема, возникающая на предприятиях, связанных с производством и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Она проявляется в том, что материалы самостоятельно меняют свое поведение - склеиваются между собой или, наоборот, отталкиваются, прилипают к оборудованию, притягивают пыль, неправильно наматываются на приемное устройство и пр.

Притягивание/отталкивание происходит в соответствии с законом Кулона, в основе которого лежит принцип противоположности квадрата. В простой форме он выражается следующим образом:

Сила притяжения или отталкивания (в Ньютонах) = Заряд (А) х Заряд (В) / (Расстояние между объектами 2 (в метрах)).

Следовательно, интенсивность проявления этого эффекта напрямую связана с амплитудой статического заряда и расстоянием между притягивающимися или отталкивающимися объектами. Притягивание и отталкивание происходят в направлении силовых линий электрического поля.

Если два заряда имеют одинаковую полярность – они отталкиваются, если противоположную – притягиваются. Если один из объектов заряжен, он будет провоцировать притягивание, создавая зеркальную копию заряда на нейтральных объектах.

Риск возникновения пожара

Риск возникновения пожара не является общей для всех производств проблемой. Но вероятность возгорания очень велика на полиграфических и других предприятиях, где используются легковоспламеняющиеся растворители.

В опасных зонах наиболее распространенными источниками возгорания являются незаземленное оборудование и подвижные проводники. Если на операторе, находящемся в опасной зоне, надета спортивная обувь или туфли на токонепроводящей подошве, существует риск, что его тело будет генерировать заряд, способный спровоцировать возгорание растворителей. Незаземленные проводящие детали машин также представляют опасность. Все, что находится в опасной зоне должно быть хорошо заземлено.

Нижеследующая информация дает краткое пояснение способности статического разряда провоцировать возгорание в легковоспламеняющихся средах. Важно, чтобы неопытные продавцы были заранее осведомлены о видах оборудования, чтобы не допустить ошибки в подборе устройств для применения в таких условиях.

Способность разряда провоцировать возгорание зависит от многих переменных факторов:

• типа разряда;

• мощности разряда;

• источника разряда;

• энергии разряда;

• наличия легковоспламеняющейся среды (растворителей в газовой фазе, пыли или горючих жидкостей);

• минимальной энергии воспламенения (МЭВ) легковоспламеняющейся среды.

Типы разряда

Существует три основных типа – искровой, кистевой и скользящий кистевой разряды. Коронный разряд в данном случае во внимание не принимается, т.к. он отличается невысокой энергией и происходит достаточно медленно. Коронный разряд чаще всего неопасен, его следует учитывать только в зонах очень высокой пожаро- и взрывоопасности.

Искровой разряд

В основном он исходит от умеренно проводящего, электрически изолированного объекта. Это может быть тело человека, деталь машины или инструмент. Предполагается, что вся энергия заряда рассеивается в момент искрения. Если энергия выше МЭВ паров растворителя, может произойти воспламенение.

Энергия искры рассчитывается следующим образом: Е (в Джоулях) = ½ С U2.

Кистевой разряд

Кистевой разряд возникает, когда заостренные части деталей оборудования концентрируют заряд на поверхностях диэлектрических материалов, изоляционные свойства которых приводят к его накоплению. Кистевой разряд отличается более низкой энергией по сравнению с искровым и, соответственно, представляет меньшую опасность в отношении воспламенения.

Скользящий кистевой разряд

Скользящий кистевой разряд происходит на листовых или рулонных синтетических материалах с высоким удельным сопротивлением, имеющих повышенную плотность заряда и разную полярность зарядов с каждой стороны полотна. Такое явление может быть спровоцировано трением или распылением порошкового покрытия. Эффект сравним с разрядкой плоского конденсатора и может представлять такую же опасность, как искровой разряд.

Источник и энергия разряда

Величина и геометрия распределения заряда являются важными факторами. Чем больше объем тела, тем больше энергии оно содержит. Острые углы повышают мощность поля и поддерживают разряды.

Мощность разряда

Если объект, имеющий энергию, не очень хорошо проводит , например, человеческое тело, сопротивление объекта будет ослаблять разряд и понижать опасность. Для человеческого тела существует эмпирическое правило: считать, что любые растворители с внутренней минимальной энергией воспламенения менее 100 мДж могут воспламениться несмотря на то, что энергия, содержащаяся в теле, может быть выше в 2 – 3 раза.

Минимальная энергия воспламенения МЭВ

Минимальная энергия воспламенения растворителей и их концентрация в опасной зоне являются очень важными факторами. Если минимальная энергия воспламенения ниже энергии разряда, возникает риск возгорания.

Электропоражение

Вопросу риска статического удара в условиях промышленного предприятия уделяется все больше внимания. Это связано с существенным повышением требований к гигиене и безопасности труда.

Электропоражение, спровоцированное статическим электричеством, в принципе не представляет особой опасности. Оно просто неприятно и часто вызывает резкую реакцию.

Существуют две общие причины статического удара:

Наведенный заряд

Если человек находится в электрическом поле и держится за заряженный объект, например, за намоточную бобину для пленки, возможно, что его тело зарядится.

Заряд остается в теле оператора, если он находится в обуви на изолирующей подошве, до того момента, пока он не дотронется до заземленного оборудования. Заряд стекает на землю и поражает человека. Такое происходит и в случае, когда оператор дотрагивается до заряженных объектов или материалов – из-за изолирующей обуви заряд накапливается в теле. Когда оператор трогает металлические детали оборудования, заряд может стечь и спровоцировать электроудар.

При перемещении людей по синтетическим ковровым покрытиям порождается статический заряд при контакте между ковром и обувью. Электроудары, которые получают водители, покидая свою машину, провоцируются зарядом, возникшим между сиденьем и их одеждой в момент подъема. Решение этой проблемы – дотронуться до металлической детали автомобиля, например, до рамы дверного проема, до момента подъема с сиденья. Это позволяет заряду безопасно стекать на землю через кузов автомобиля и его шины.

Электропоражение, спровоцированное оборудованием

Такой электроудар возможен, хотя происходит значительно реже, чем поражение, спровоцированное материалом.

Если намоточная бобина имеет значительный заряд, случается, что пальцы оператора концентрируют заряд до такой степени, что он достигает точки пробоя и происходит разряд. Помимо этого, если металлический незаземленный объект находится в электрическом поле, он может зарядиться наведенным зарядом. По причине того, что металлический объект является токопроводящим, подвижный заряд разрядится в человека, который дотрагивается до объекта.

Статическое электричество — это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых веществ, материалов изделий или на изолированных проводниках. Заряды накапливаются на оборудовании и материалах, а сопровождающие электрические разряды могут явиться причиной пожаров и взрывов, нарушения технологических процессов, точности показаний электрических приборов и средств автоматизации.
Особую опасность в связи с накоплением статического электричества представляют предприятия пищевых производств, на которых технологические процессы связаны с дроблением, измельчением и просеиванием продукта (хлебопекарные, кондитерские, крахмальные, сахарные и др.), с очисткой и переработкой зерна, транспортированием твердых и жидких продуктов с помощью конвейеров и по трубам (склады бестарного хранения муки, пивоваренные, спиртовые заводы и Др.).
При соприкосновении тел, различающихся по температуре, концентрации заряженных частиц, энергетическому состоянию атомов, шероховатости поверхности и другим параметрам, между ними происходит перераспределение электрических зарядов. При этом у поверхности раздела тел на одной из них концентрируются положительные заряды, а на другой отрицательные. Образуется двойной электрический слой. В процессе разделения контактирующих поверхностей часть зарядов нейтрализуется, а часть сохраняется на телах.
В производственных условиях электризация различных веществ зависит от многих факторов, и прежде всего от физико-химических свойств перерабатываемых веществ, вида и характера технологического процесса. Величина электростатического заряда зависит от электропроводности материалов, их относительной диэлектрической проницаемости, скорости движения, характера контакта между соприкасающимися материалами, электрических свойств окружающей среды, относительной влажности и температуры воздуха. Особенно резко возрастает электризация диэлектрических материалов при удельном электрическом сопротивлении 109 Ом-м, а также при относительной влажности воздуха менее 50 %. При удельном сопротивлении 108 Ом-м и менее электризация практически не обнаруживается. Степень электризации жидкостей в основном зависит от ее диэлектрических свойств и кинематической вязкости, скорости потока, диаметра и длины трубопровода, материала трубопровода, состояния его внутренних стенок, температуры жидкости. Интенсивность образования зарядов наблюдается при фильтрации за счет большой площади контакта жидкости с элементами фильтра. Разбрызгивание жидкостей при заполнении резервуаров свободно падающей струей горючей жидкости, например на спиртовых заводах, сопровождается электризацией капель, вследствие чего появляется опасность электрического заряда и воспламенение паров этих жидкостей. Поэтому налив жидкости в резервуары свободно падающей струей не допускается. Расстояние от конца загрузочной трубы до дна сосуда не должно превышать 200 мм, а если это невозможно, струю направляют вдоль стены.
Гели напряженность электростатического поля над поверхностью диэлектрика достигает критической (пробоиной) величины, возникает электрический разряд. Для воздуха пробивное напряжение примерно равно 30 кВ/см.
Электростатическая искро6езопасность —это такое состояние, при котором исключается возможность взрыва или пожара от статического электричества. Безопасная энергия искры (в Дж) определяется по формуле:

Wи=kб*Wmin

Где kб — коэффициент безопасности, применяемый равным 0,4—0,5; Wmin—минимальная энергия, которая может вызвать воспламенение рассматриваемой горючей смеси.
За предельно допустимое значение заряда принимается такое его значение, при котором максимально возможная энергия разряда Wи с поверхности данного вещества не превосходит 0,4—0,5 минимальной энергии воспламенения окружающей среды Wmin.
Энергию разряда (искры) диэлектрика (в Дж) можно определить по формуле:

W=0,5*С*V 2

Где С — электрическая емкость, разряжаемая искрой, Ф; V — разность потенциалов относительно земли, В.
Минимальную энергию воспламенения газо- и паровоздушных смесей составляют доли миллиджоуля.
Разность потенциалов на оборудовании может достигать нескольких тысяч вольт, и, как следует из формулы, при этом даже при незначительной электрической емкости, несущей электростатический заряд, энергия разряда искры может превышать минимальную энергию воспламенения взрывоопасной среды. Например, при транспортировании сыпучих материалов на конвейере с резиновой лентой потенциал относительно земли может достигать 45 000 В, а кожаного приводного ремня со скоростью 15 м/с — до 80 000 В.
Электростатические заряды, достаточные для воспламенения практически всех взрывоопасных смесей воздуха с газами, парами и некоторыми пылями, могут накапливаться на человеке (одежда из синтетических тканей, передвижение по диэлектрикам, использование электронепроводящей обуви и т. п.), а также переходить на него с наэлектризованного оборудования и материалов.
Потенциал электростатического заряда на человеке может достигать 15 000—20 000 В. Разряды такого потенциала не представляют опасности для человека, так как сила тока ничтожно мала и ощущается как укол, толчем: или судорога. Однако под их воздействием возможны рефлекторные движения, что может привести к падению с высоты, попаданию в опасную зону машины и др.
Энергия разряда при потенциале 10 000 В и емкости человека, изменяющейся от 100 до 350 пФ, составляет 5—17,5 мДж. т. е. превышает значения минимальной энергии воспламенения этилового спирта, бензола и сероуглерода (0,95; 0,2; 0,0009 мДж соответственно).
Меры защиты от статического электричества разделяются на три основные группы:

• предупреждающие возможность возникновения электростатического заряда;
• снижающие величину потенциала электростатического заряда до безопасного уровня;
• нейтрализующие заряды статического электричества.

Основным способом предупреждения возникновения электростатического заряда является постоянный отвод статического электричества от технологического оборудования с помощью заземления. Каждую систему аппаратов и трубопроводов заземляют не менее чем в двух места. Резиновые шланги обвиваются заземленной медной проволокой с шагом 10 см. Следует иметь в виду, что в отличие от электротехники, где хорошими проводниками считаются материалы с удельным сопротивлением, оцениваемым долями Ома, в электростатике границей проводника и непроводника считается величина удельного сопротивления 10 кОм*м. Поэтому предельно допустимое сопротивление заземляющего устройства, используемого только для отвода электростатического заряда, не должно превышать 100 Ом.
Для предупреждения образования статического электричества на элементах металлических конструкций, трубопроводах разного назначения, расположенных на расстоянии менее 10 см параллельно друг друга, применяются замкнутые контуры, создаваемые с помощью устанавливаемых между ними металлических заземленных перемычек через каждые 20 м и менее.
Для снижения величины потенциала электростатического заряда, образующегося на оборудовании и перерабатываемых материалах, до безопасного уровня применяются технологические способы (безопасные скорости движения транспортируемых жидких и пылевидных веществ, подбор поверхностей трения, материалов взаимно компенсирующих возникающих зарядов и Т. п.), а также способы отвода путем повышения относительной влажности воздуха и материала, химической обработки поверхности, нанесения антистатических веществ и электропроводных пленок. Общее или местное увлажнение воздуха более 70 % обеспечивает постоянный отвод электростатических зарядов. Поверхностная проводимость материалов увеличивается обработкой поверхностно-активными веществами, использованием покрытий из электропроводящих эмалей, смазок. Заряды статического электричества нейтрализуются с помощью ионизации воздуха, при которой образующееся в единице его объема число пар ионов соответствует скорости возникновения нейтрализуемых электростатических зарядов. Для этого используются индукционные, радиоизотопные и комбинированные ионизаторы.
Для непрерывного снятия электростатических зарядов с человека используются электропроводящие полы, заземленные зоны или рабочие площадки, оборудование, трапы, а также средства индивидуальной зашиты в виде антиэлектростатических халатов и обуви, с кожаной подошвой или подошвой из электропроводной резины.