Statická elektřina – co to je, jak se vyrábí a problémy s ní spojené
Co je statická elektřina
Ke statické elektřině dochází, když je narušena intraatomická nebo intramolekulární rovnováha v důsledku zisku nebo ztráty elektronu. Normálně je atom v rovnováze kvůli stejnému počtu kladných a záporných částic – protonů a elektronů. Elektrony se mohou snadno pohybovat z jednoho atomu na druhý. Zároveň tvoří kladné (tam, kde není žádný elektron) nebo záporné (jeden elektron nebo atom s elektronem navíc) ionty. Když dojde k této nerovnováze, vzniká statická elektřina.
Další podrobnosti naleznete zde: O statické elektřině v obrazech
Elektrický náboj na elektronu — ( -) 1,6 x 10-19 přívěsek. Proton se stejným nábojem má kladnou polaritu. Statický náboj v coulombech je přímo úměrný přebytku nebo nedostatku elektronů, tzn. počet nestabilních iontů.
Přívěsek je základní jednotkou statického náboje, která definuje množství elektřiny procházející průřezem drátu za 1 sekundu při 1 ampéru.
Kladný iont nemá jeden elektron, proto může snadno přijmout elektron ze záporně nabité částice. Záporný iont může být buď jeden elektron, nebo atom/molekula s velkým počtem elektronů. V obou případech existuje elektron, který dokáže neutralizovat kladný náboj.
Jak vzniká statická elektřina
Hlavní příčiny statické elektřiny:
- Kontakt mezi dvěma materiály a jejich oddělení od sebe (včetně tření, válcování / odvíjení atd.).
- Rychlý pokles teploty (například při vložení materiálu do pece).
- Vysokoenergetické záření, ultrafialové záření, rentgenové záření, silná elektrická pole (není běžné v průmyslových aplikacích).
- Řezací operace (např. na řezacích strojích nebo strojích na řezání papíru).
- Manuální (generovaná statická elektřina).
Povrchový kontakt a separace materiálů jsou pravděpodobně nejběžnějšími příčinami statické elektřiny v průmyslu rolí a plastových fólií. Statický náboj vzniká při odvíjení / převíjení materiálů nebo pohybu různých vrstev materiálů vůči sobě.
Tento proces není zcela jasný, ale nejpravdivější vysvětlení pro výskyt statické elektřiny v tomto případě lze získat analogií s plochým kondenzátorem, ve kterém se mechanická energie přeměňuje na elektrickou energii, když jsou desky odděleny:
Výsledné napětí = počáteční napětí x (rozteč konečných desek / rozteč počátečních desek).
Když se syntetická fólie dotkne podávacího/navíjecího válce, mírný náboj proudící z materiálu na válec způsobí nerovnováhu.Když materiál překoná kontaktní plochu s hřídelí, napětí stoupá stejným způsobem jako v případě desky kondenzátoru v okamžiku jejich oddělení.
Praxe ukazuje, že amplituda výsledného napětí je omezena v důsledku elektrického průrazu, ke kterému dochází v mezeře mezi sousedními materiály, povrchové vodivosti a dalších faktorů. Na výstupu fólie z kontaktní plochy je často slyšet jemné praskání nebo pozorovat jiskry. To se děje v okamžiku, kdy statický náboj dosáhne hodnoty dostatečné k rozbití okolního vzduchu.
Před kontaktem s válcem je syntetický film elektricky neutrální, ale v procesu pohybu a kontaktu s podávacími plochami je proud elektronů nasměrován na film a nabíjí jej záporným nábojem. Pokud je hřídel kovová a uzemněná, její kladný náboj se rychle vybije.
Většina zařízení má mnoho šachet, takže množství náboje a jeho polarita se může často měnit. Nejlepším způsobem kontroly statického náboje je jeho přesné měření v oblasti těsně před problémovou oblastí. Pokud je náboj neutralizován příliš brzy, může se obnovit dříve, než film dosáhne této problematické oblasti.
Pokud má předmět schopnost akumulovat značný náboj a je-li v něm vysoké napětí, statická elektřina způsobí vážné problémy, jako je jiskření, elektrostatické odpuzování/přitahování nebo úraz elektrickým proudem.
Nabijte polaritu
Statický náboj může být kladný nebo záporný.U stejnosměrného proudu (AC) a pasivních omezovačů (kartáčů) není polarita náboje obvykle důležitá.
Problémy se statickou elektřinou
Statický výboj v elektronice
Tomuto problému je nutné věnovat pozornost, jak se často stává při práci s elektronickými bloky a součástkami používanými v moderních řídicích a měřicích zařízeních.
V elektronice hlavní nebezpečí spojené se statickou elektřinou pochází od osoby nesoucí náboj a nemělo by být ignorováno. Vybíjecí proud generuje teplo, což vede k přerušení spojení, přerušeným kontaktům a přerušeným stopám mikroobvodů. Vysoké napětí také ničí tenký oxidový film na tranzistorech s efektem pole a dalších potažených prvcích.
Součásti často zcela neselhají, což lze považovat za ještě nebezpečnější, protože porucha se neobjeví okamžitě, ale v nepředvídatelném okamžiku během provozu zařízení.
Obecně platí, že při práci s díly a zařízeními citlivými na statickou elektřinu byste měli vždy podniknout kroky k neutralizaci náboje nahromaděného na vašem těle.
Elektrostatická přitažlivost / odpuzování
To je možná nejčastější problém v plastikářském, papírenském, textilním a souvisejícím průmyslu. Projevuje se tím, že materiály samostatně mění své chování — lepí se nebo naopak odpuzují, lepí se na zařízení, přitahují prach, nepravidelný vítr na přijímacím zařízení atd.
Přitahování / odpuzování nastává v souladu s Coulombovým zákonem, který je založen na principu opaku čtverce. Ve své nejjednodušší podobě je vyjádřen takto:
Síla přitahování nebo odpuzování (v Newtonech) = náboj (A) x náboj (B) / (vzdálenost mezi objekty 2 (v metrech)).
Proto intenzita tohoto efektu přímo souvisí s amplitudou statického náboje a vzdáleností mezi atraktivními nebo odpudivými předměty. Přitahování a odpuzování probíhá ve směru siločar elektrického pole.
Pokud mají dva náboje stejnou polaritu, odpuzují se; pokud je to naopak, přitahují se navzájem. Pokud je jeden z objektů nabitý, způsobí přitažlivost a vytvoří zrcadlový obraz náboje na neutrálních objektech.
Nebezpečí požáru
Riziko požáru není společným problémem všech průmyslových odvětví. Ale pravděpodobnost požáru je velmi vysoká v tiskařských a jiných podnicích, které používají hořlavá rozpouštědla.
V nebezpečných oblastech jsou nejčastějšími zdroji vznícení neuzemněné zařízení a pohyblivé vodiče. Pokud operátor v nebezpečném prostoru nosí sportovní obuv nebo obuv s nevodivou podrážkou, existuje riziko, že jeho tělo vytvoří náboj, který může zapálit rozpouštědla. Nebezpečné jsou také neuzemněné vodivé části stroje. Vše v nebezpečné zóně musí být řádně uzemněno.
Následující informace poskytují stručné vysvětlení potenciálu vznícení statické elektřiny v hořlavém prostředí. Je důležité, aby nezkušení obchodníci věděli o typech zařízení předem, aby se předešlo chybám při výběru zařízení pro použití v takových podmínkách.
Schopnost výboje způsobit požár závisí na mnoha proměnných:
- druh likvidace;
- vybíjecí výkon;
- zdroj vybíjení;
- vybít energii;
- přítomnost hořlavého prostředí (rozpouštědla v plynné fázi, prach nebo hořlavé kapaliny);
- minimální zápalná energie (MEW) hořlavého média.
Druhy výbojů
Existují tři hlavní typy — jiskrový, kartáčový a posuvný kartáč. V tomto případě se koronární výboj nebere v úvahu, protože není příliš energetický a probíhá poměrně pomalu. Korónový výboj je obecně neškodný a měl by být zvažován pouze v oblastech s velmi vysokým nebezpečím požáru a výbuchu.
Upřímné vybití
Pochází převážně ze středně vodivého, elektricky izolovaného předmětu. Může to být lidské tělo, část stroje nebo nástroj. Předpokládá se, že veškerá energie náboje se rozptýlí v okamžiku jiskření. Pokud je energie vyšší než MEW páry rozpouštědla, může dojít ke vznícení.
Energie jiskry se vypočítá následovně: E (v joulech) = ½ C U2.
Výtok z rukou
Kartáčový výboj nastává, když ostré kusy zařízení koncentrují náboj na povrchy dielektrických materiálů, jejichž izolační vlastnosti způsobují jeho akumulaci. Kartáčový výboj má nižší energii než jiskrový výboj, a proto představuje menší nebezpečí vznícení.
Rozetřete posuvným štětcem
Stříkání kluzným kartáčem se vyskytuje na listech nebo rolích syntetických materiálů s vysokým odporem se zvýšenou hustotou náboje a různými polaritami náboje na každé straně pásu. Tento jev může být způsoben třením nebo stříkáním práškového laku. Účinek je srovnatelný s vybitím plochého kondenzátoru a může být stejně nebezpečný jako jiskrový výboj.
Zdroj síly a energie
Důležitými faktory jsou velikost a geometrie rozložení náboje. Čím větší je objem tělesa, tím více energie obsahuje. Ostré rohy zvyšují intenzitu pole a udržují výboje.
Vybíjecí výkon
Pokud se předmět s energií nechová dobře elektřinanapř. lidské tělo, odpor předmětu zeslabí vymrštění a sníží nebezpečí. Pro lidský organismus platí základní pravidlo: předpokládejme, že všechna rozpouštědla s vnitřní minimální zápalnou energií menší než 100 mJ se mohou vznítit, a to i přesto, že energie obsažená v těle může být 2 až 3x vysoká.
Minimální energie zapalování MEW
Velmi důležitými faktory jsou minimální zápalná energie rozpouštědel a jejich koncentrace v nebezpečném prostoru. Pokud je minimální energie zapálení nižší než energie výboje, hrozí nebezpečí požáru.
Elektrický šok
Stále větší pozornost je věnována otázce rizika statického šoku v průmyslovém podniku. Důvodem je výrazné zvýšení požadavků na bezpečnost a ochranu zdraví při práci.
Úraz elektrickým proudem způsobený statickou elektřinou obecně není nijak zvlášť nebezpečný. Je to prostě nepříjemné a často to způsobuje těžké reakce.
Existují dvě běžné příčiny statického šoku:
Indukovaný náboj
Pokud je člověk v elektrickém poli a drží nabitý předmět, jako je kotouč filmu, je možné, že se jeho tělo nabije.
Náboj zůstává v těle operátora, pokud nosí boty s izolační podrážkou, dokud se nedotkne uzemněného zařízení. Náboj stéká k zemi a zasáhne osobu. To se také děje, když se operátor dotkne nabitých předmětů nebo materiálů — díky izolační obuvi se náboj hromadí v těle. Když se obsluha dotkne kovových částí zařízení, může se vybít náboj a způsobit úraz elektrickým proudem.
Když lidé chodí po syntetických kobercích, kontaktem mezi kobercem a botami vzniká statická elektřina. Elektrické šoky, které řidiči utrpí, když vystupují z auta, jsou vyvolány nábojem vytvořeným mezi sedadlem a oblečením, když vstávají. Řešením tohoto problému je dotknout se kovové části vozu, například rámu dveří, před zvednutím ze sedadla. To umožňuje náloži bezpečně stékat na zem skrz karoserii vozidla a pneumatiky.
Zařízení způsobilo úraz elektrickým proudem
Takový úraz elektrickým proudem je možný, i když k němu dochází mnohem méně často než k poškození způsobenému materiálem.
Pokud je navíjecí cívka výrazně nabitá, stává se, že prsty obsluhy koncentrují náboj natolik, že dosáhne bodu zlomu a dojde k vybití. Také pokud je neuzemněný kovový předmět v elektrickém poli, může se nabít indukovaným nábojem. Protože je kovový předmět vodivý, mobilní náboj se vybije do osoby, která se předmětu dotýká.