3.2 Elektryczność statyczna

      Początki nauki o elektryczności sięgają starożytności. Dwadzieścia pięć wieków temu grecki filozof i matematyk Tales z Miletu (620-540 p.n.e.) spostrzegł, że potarty suknem bursztyn przyciąga drobne, lekkie ciała jak cząsteczki drewniane, wiórki, słomki, puch itp..

      Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa "elektron", a elektron po grecku oznacza bursztyn. Naelektryzowanie przedmiotu może nastąpić przez: potarcie, dotknięcie przez inny naelektryzowany przedmiot, indukcję elektryczną (zbliżenie naładowanego przedmiotu).

      Beniamin Franklin (1706-1790) stwierdził, że są dwa rodzaje ładunków elektrycznych: ładunki gromadzące się na potartym szkle nazwał dodatnimi, zaś na potartym ebonicie – ujemnymi. Ładunki elektryczne oddziałują na siebie, przy czym ładunki jednoimienne odpychają się, a ładunki różnoimienne – przyciągają z siłą F.  Zgodnie z prawem Coulomba:

2.1 Elektryzowanie obiektów i wyładowania elektrostatyczne

      Elektryczność statyczna jest to zespół zjawisk towarzyszących pojawieniu się niezrównoważonego ładunku elektrycznego na materiałach o małej przewodności elektrycznej (dielektrykach, materiałach izolacyjnych) lub na odizolowanych od ziemi obiektach przewodzących, np. ciele człowieka.

      Ładunki te wytwarzają wokół siebie pole elektrostatyczne o natężeniu tym większym, im większa jest ich wartość. Jeżeli obiekt znajduje się w polu elektrostatycznym, to może pojawić się na jego powierzchni niezrównoważony ładunek elektryczny.

      Elektryzowanie (elektryzacja) jest to wytwarzanie w danym ciele nadmiaru ładunków elektrycznych jednego znaku, które następuje zwykle w warunkach zetknięcia ciał lub ich zbliżenia.

      Elektryzowanie obiektów występuje zwykle w warunkach zetknięcia i następującego po nim rozdzielenia dwóch nie naelektryzowanych ciał, przy czym mogą to być: ciało stałe, ciało stałe i ciecz, ciało stałe i gaz, ciecz i gaz. Warunki takie zachodzą np. przy ślizganiu, toczeniu, uderzaniu, rozdrabnianiu, przepływie, wypływie, mieszaniu ciał.

      Elektryzacja taka następuje w wyniku tworzenia się na granicy zetknięcia dwóch ciał elektrycznej warstwy podwójnej, składające] się z warstwy ładunków dodatnich i ujemnych. Nośnikami ładunku mogą być elektrony i jony.

      Elektryzację w warunkach kontaktowania dwóch ciał stałych wyjaśnia się przemieszczeniem elektronów bądź jonów. Model elektronowy elektryzacji opiera się na teorii pasmowej ciała stałego. Mechanizm jonowy elektryzacji jest tłumaczony obecnością na powierzchni dielektryka zaabsorbowanej warstewki wody, częściowo dysocjowanej i zawierającej rozpuszczone zanieczyszczenia.

      Rozładowanie elektrostatyczne obiektów

      Naelektryzowany obiekt z materiału dielektrycznego podlega rozładowaniu na drodze: upływu skrośnego (w objętości obiektu), upływu powierzchniowego oraz upływu przez powietrze.

      Przy dużych wartościach natężenia pola elektrycznego występują wyładowania elektrostatyczne:

      - niezupełne - ulotowe lub snopiaste,

      - zupełne - iskrowe.

      Wyróżnia się następujące wyładowania elektrostatyczne:

      Wyładowania międzyelektrodowe; występują najczęściej pomiędzy odizolowanym a uziemionym elementem metalowym.

      Wyładowania elektroda - dielektryk; są to wyładowania inicjowane pomiędzy naelektryzowanym obiektem z materiału dielektrycznego a zbliżoną do niego uziemioną elektrodą.

      Wyładowania bezelektrodowe; występują pomiędzy dwoma obiektami z materiałów dielektrycznych w warunkach ich rozdzielania, przy rozdrabnianiu itp. Wyładowania tego rodzaju powstają np. podczas: odwijania folii z bębna, ślizgania taśm przenośników po wałkach z materiałów dielektrycznych, strzepywania filtrów workowych itp.

      Wyładowania piorunopodobne; są to wyładowania iskrowe, charakteryzujące się znaczną długością kanału iskrowego, inicjowane przez duże chmury naelektryzowanego pyłu.

      Energia wyładowań elektrostatycznych z odizolowanych od ziemi materiałów lub obiektów przewodzących jest praktycznie równa energii naładowania, natomiast energia wyładowania z powierzchni materiału nieprzewodzącego stanowi tylko część energii naładowania.

2.2 Rodzaje zagrożeń elektrycznością statyczną

      Zagrożenia elektrycznością statyczną są spowodowane bezpośrednim oddziaływaniem pola elektrycznego wytwarzanego przez naelektryzowane obiekty lub oddziaływaniem wyładowań elektrostatycznych.

      Silne pola elektrostatyczne mogą powodować zakłócenia w działaniu aparatury kontrolno-pomiarowej , komputerów oraz we wszelkich urządzeniach elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe. Wyładowania elektryczności statycznej mogą uszkadzać elementy półprzewodnikowe. Wyładowania te może powodować sam człowiek, kiedy jest naładowany i dotyka tych elementów.

      Ładunki elektrostatyczne mogą powstawać na ludziach drogą kontaktową w czasie chodzenia, zdejmowania odzieży albo wykonywania czynności domowych lub zawodowych. Ciało człowieka może gromadzić ładunki elektryczne, jeśli jest odpowiednio odizolowane od ziemi, np. przez nieprzewodzące obuwie lub podłogę.

      Dla celów obliczeniowych przyjmuje się: średnią wartość pojemności człowieka C = 150 pF. Maksymalne napięcia elektrostatyczne występujące zwykle na ludziach mogą osiągać wartość kilkunastu kV.

Oddziaływanie elektryczności statycznej na ludzi jest następujące:

      - przebywanie pod wpływem pola elektrostatycznego przez dłuższy czas ma ujemny wpływ na stan

        zdrowia i samopoczucie ludzi,

      - wyładowania elektrostatyczne powstają przy zbliżeniu do uziemionego obiektu; poza niemiłym lub

        groźnym uczuciem, wyładowania mogą prowadzić do urazów mechanicznych przy występujących

        odruchach.

      Wyładowanie zwykłe jest słabo odczuwalne lub nieodczuwalne, a przy wyższych poziomach napięcia i energii (o energii ok. 250 mJ) może spowodować wystąpienie ciężkiego szoku, niebezpieczeństwo inicjacji wybuchu przy wyładowaniu z człowieka w warunkach zagrożenia wybuchowego lub pożarowego.

2.3 Środki ochrony przed elektrycznością statyczną

      Środki ochrony przed elektrycznością statyczną powinny eliminować możliwość elektryzacji obiektów lub, jeżeli to niemożliwe, zapewniać bezpieczne odprowadzanie ładunków elektrycznych.

      Najczęściej stosowane środki ochrony przed elektrycznością statyczną:

      1) Uziemianie – stosuje się do odprowadzania ładunków elektryczności statycznej metalowych i przewodzących części urządzeń.

      2) Antystatyzacja - polega na zmianie właściwości materiałów i substancji w celu zmniejszenia ich elektryzacji i gromadzenia się ładunków. 

      Wprowadzenie do danej substancji odpowiedniej domieszki (tzw. antystatyka) lub naniesienie antystatyka na powierzchnię materiału (wykładziny antyelektrostatyczne) powoduje zwiększenie skrośnej lub powierzchniowej przewodności elektrycznej.

      Przykłady antystatyzacji:

      - preparacja antystatyczna objętościowa - jest stosowana zwykle do cieczy, ma również

        zastosowanie do materiałów sypkich oraz tworzyw stałych,

      - preparację antystatyczną powierzchniową - stosuje się przy produkcji i stosowaniu

        nieprzewodzących materiałów stałych oraz folii, płyt, itp.,

      - antystatyzację trwałą tkanin uzyskuje się przez odpowiedni dobór struktury włókien mieszanin

        tworzyw sztucznych z bawełną lub lnem. Antystatyzację okresową otrzymuje się przez preparację

        powierzchniową włókien w procesie produkcji. Jednak po kilkunastu praniach (co najmniej 10)

        właściwości antystatyczne okresowe zanikają i tkaniny podlegają znowu elektryzacji. Powszechna

        jest również antystatyzacja doraźna, uzyskiwana przez płukanie tkanin i odzieży.

      3) Zwiększanie wilgotności powietrza - jest skutecznym środkiem ochrony przed gromadzeniem się ładunków elektrostatycznych tylko na tych materiałach, które wykazują właściwości powierzchniowego adsorbowania wody. Dla materiałów niehigroskopijnych, np. większości typowych tworzyw sztucznych, ten środek ochrony jest nieskuteczny. Zwiększenie wilgotności względnej powietrza (co najmniej do 70%) dokonuje się poprzez nawilżanie pomieszczeń lub stanowisk produkcyjnych (nawilżanie miejscowe).

      4) Neutralizatory ładunku - służą do eliminacji ładunków elektrostatycznych występujących na powierzchniach płaskich lub walcowych, pasów napędowych itp. poprzez ich neutralizację zjonizowanym powietrzem.

      5) Ekranowanie elektrostatyczne - polega na umieszczaniu uziemionej siatki metalowe] na powierzchniach izolacyjnych w celu zmniejszenia natężenia pola elektrycznego na stanowisku pracy,

      6) Zmiany procesów technologicznych umożliwiające eliminację zagrożeń to: