Условия возникновения и накопления статического электричества

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. Широкое использование в промышленности ди­электрических и полупроводниковых материалов значительно рас­ширило область проявления статического электричества.

Электризация. В технологических процессах, сопровождающих­ся трением, измельчением, разбрызгиванием, распылением, фильтро­ванием и просеиванием веществ, на самих материалах и на оборудо­вании образуется электрический потенциал, измеряемый тысячами и десятками тысяч вольт. Приобретение телами избыточного заряда связано в большинстве случаев с явлением контактной электризации.

При соприкосновении тел, различающихся по температуре, концентрации заряженных частиц, энергетическому состоянию ато­мов, шероховатости поверхности и другим параметрам, происходит перераспределение между ними электрических зарядов.

При этом у поверхности раздела тел на одном из них концен­трируются положительные заряды, а на другом — отрицательные.

Образуется двойной электрический слой, аналогичный конден­сатору, емкость которого

C = e£₀S/d,

где б — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха; е₀ — электрическая постоянная; S — площадь соприкасающихся

поверхностей; d — толщина двойного электрического слоя.

В процессе разделения контактирующих поверхностей часть за­рядов нейтрализуется, а часть сохраняется на телах. Если электро проводность тел мала и процесс разделения происходит достаточно быстро, то величина заряда Q уменьшается незначительно.

Это относится прежде всего к диэлектрикам, удельное объемное электрическое сопротивление которых превышает 10⁸ Ом • м.

При удалении поверхностей друг от друга величина d возрастает, емкость С уменьшается, поэтому разность потенциалов U = QIС между телами увеличивается, достигая в ряде случаев очень больших значений.

Увеличение электростатического заряда и разности потенциа­лов может привести к электрическому пробою разделяющей среды. Возникновение искрового разряда и высоких потенциалов представ­ляют собой наиболее опасное проявление статического электричества.

Электризация твердых тел усиливается в процессе трения, так как при этом расширяются зоны соприкосновения тел и выделяется теплота, изменяющая энергетическое состояние атомов взаимодейст­вующих поверхностей. Например, при трении резиновой ленты транс­портера о ролики, а также при проскальзывании трансмиссионных ремней относительно шкивов возникают электрические потенциалы, достигающие 40 кВ и более. При механической обработке некоторых пластмасс на станках и вручную зафиксирован потенциал до 20 кВ.

В процессе электризации твердых тел заметную роль играют электролитические явления в пленках влаги, содержащихся на поверх­ности предметов. Под действием сил трения пленка может отделиться от поверхности тела. При этом часть ионов адсорбируется поверхностью и сообщает телу заряд, величина которого тем больше, чем больше вы­ражены гидрофобные свойства материала. Электризация возможна также за счет адсорбции ионов из воздуха на поверхности с энергетиче­ски ненасыщенными связями. Появление зарядов наблюдается при пьезоэлектрических и пироэлектрических эффектах, сопровождающих­ся перераспределением электронной плотности в массе вещества.

Изолированные от земли тела, попадая во внешнее электриче­ское поле, способны приобретать заряд за счет электрической индукции. Особенно опасна индукционная электризация проводящих объектов, так как при разряде с них выделяется большое количество энергии.

При изготовлении, обработке и транспортировке, например, пнев­мотранспортом диспергированных материалов происходит электризация частиц при их соударении друг с другом, а также со стенками техноло­гического оборудования. Чем ниже относительная влажность воздуха, выше дисперсность, удельное электрическое сопротивление материала и кинетическая энергия частиц, тем интенсивнее процесс электризации.

Перекачка диэлектрических жидкостей (бензина, керосина, бензола, толуола и ДР-) по трубопроводам и перевозка в емкостях со­провождаются значительной электризацией. Она особенно опасна при 'транспортировании легковоспламеняющихся жидкостей с удель­ным 'сопротивлением более 10¹⁰ Ом • м. Диэлектрические жидкости обычно содержат примеси, являющиеся носителями электрического заряда. Электризация жидкости связана с механическим разделени­ем двойного электрического слоя на границе жидкой и твердой фаз. Интенсивность образования зарядов возрастает с увеличением скоро­сти движения жидкости, ее удельного сопротивления и площади кон­такта с твердой поверхностью.

Например, значительная электризация наблюдается при фильтра­ции за счет большой площади контакта жидкости с элементами фильтра.

Разбрызгивание жидкостей, например, при заполнении резер­вуаров свободно падающей струей сопровождается электризацией капель, вследствие чего появляется опасность электрического заряда и

воспламенения паров жидкости.

Статическое электричество на производстве может вызывать по­жары и взрывы, вероятность их возникновения зависит от концентра­ции горючей смеси и зажигающей способности электрических разрядов.

Минимальная энергия искры, необходимая для воспламенения взрывоопасной смеси для горючих газов, паров и жидкостей возника­ет при следующих напряжениях: пары бензина воспламеняются от искры при разности потенциалов 300 В; бензин — 1000 В; бензол — 300 В; почти все горючие газы — 3000 В; большинство горючих пы-лей — 5000 В.

В промышленности вредное и опасное проявление статического электричества наблюдается при монтаже и сборке радиоэлектронного оборудования, изготовлении, испытании, транспортировке и хране­нии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, при переливании растворителей, нанесении покрытий распылением и ря­де других процессов, где применяются диэлектрические материалы.