חשמל סטטי - מה זה, איך הוא נוצר והבעיות הקשורות אליו

מהו חשמל סטטי

חשמל סטטי מתרחש כאשר שיווי משקל תוך אטומי או תוך מולקולרי מופר עקב רווח או אובדן של אלקטרון. בדרך כלל, אטום נמצא בשיווי משקל בגלל אותו מספר של חלקיקים חיוביים ושליליים - פרוטונים ואלקטרונים. אלקטרונים יכולים לעבור בקלות מאטום אחד לאחר. במקביל, הם יוצרים יונים חיוביים (כאשר אין אלקטרון) או שליליים (אלקטרון בודד או אטום עם אלקטרון נוסף). כאשר מתרחש חוסר איזון זה, נוצר חשמל סטטי.

לפרטים נוספים ראה כאן: על חשמל סטטי בתמונות

מטען חשמלי על אלקטרון - ( -) תליון 1.6 x 10-19. לפרוטון בעל אותו מטען יש קוטביות חיובית. המטען הסטטי בקולומבים עומד ביחס ישר לעודף או למחסור של אלקטרונים, כלומר. מספר היונים הלא יציבים.

התליון הוא היחידה הבסיסית של מטען סטטי, המגדירה את כמות החשמל העוברת בחתך הרוחב של חוט בשנייה אחת ב-1 אמפר.

ליון חיובי אין אלקטרון אחד, ולכן הוא יכול בקלות לקבל אלקטרון מחלקיק בעל מטען שלילי. יון שלילי, בתורו, יכול להיות אלקטרון בודד או אטום/מולקולה עם מספר רב של אלקטרונים. בשני המקרים, יש אלקטרון שיכול לנטרל את המטען החיובי.

כיצד נוצר חשמל סטטי

הגורמים העיקריים לחשמל סטטי:

• מגע בין שני חומרים והפרדתם זה מזה (כולל שפשוף, גלגול/פירוק וכו').

• ירידה מהירה בטמפרטורה (לדוגמה, כאשר החומר מוכנס לתנור).

• קרינה באנרגיה גבוהה, קרינה אולטרה סגולה, קרני רנטגן, שדות חשמליים חזקים (לא נפוץ ביישומים תעשייתיים).

• פעולות חיתוך (למשל במכונות חיתוך או מכונות חיתוך נייר).

• ידני (חשמל סטטי מופק).

מגע פני השטח והפרדת חומרים הם כנראה הגורמים השכיחים ביותר לחשמל סטטי בתעשיית סרטי הגלילים ויריעות הפלסטיק. מטען סטטי נוצר במהלך התפרקות / חזרה של חומרים או תנועה של שכבות שונות של חומרים זו ביחס לזו.

תהליך זה אינו ברור לחלוטין, אך ניתן לקבל את ההסבר האמיתי ביותר להופעת חשמל סטטי במקרה זה באמצעות אנלוגיה עם קבל שטוח, שבו אנרגיה מכנית מומרת לאנרגיה חשמלית כאשר הלוחות מופרדים:

מתח כתוצאה = מתח התחלתי x (מרווח לוחות סופי / מרווח לוחות ראשוני).

כאשר הסרט הסינטטי נוגע בגלגלת ההזנה/איסוף, מטען קל הזורם מהחומר אל הגלגלת גורם לחוסר איזון.כאשר החומר מתגבר על אזור המגע עם הפיר, המתח עולה באותו אופן כמו במקרה של לוחות הקבלים ברגע ההפרדה שלהם.

תרגול מראה כי משרעת המתח המתקבל מוגבלת עקב התמוטטות חשמלית המתרחשת בפער בין חומרים סמוכים, מוליכות פני השטח וגורמים אחרים. ביציאה מהסרט מאזור המגע, לעתים קרובות ניתן לשמוע פצפוץ קל או לראות ניצוצות. זה קורה ברגע שבו המטען הסטטי מגיע לערך מספיק כדי לפרק את האוויר שמסביב.

לפני המגע עם הגליל, הסרט הסינטטי הוא ניטרלי מבחינה חשמלית, אך בתהליך התנועה והמגע עם משטחי ההזנה מופנית זרימת אלקטרונים אל הסרט ומטעינה אותו במטען שלילי. אם הפיר הוא מתכתי ומוארק, המטען החיובי שלו יתנקז במהירות.

לרוב הציוד יש פירים רבים, כך שכמות המטען והקוטביות שלו יכולים להשתנות לעתים קרובות. הדרך הטובה ביותר לשלוט במטען סטטי היא למדוד אותו במדויק באזור ממש מול האזור הבעייתי. אם המטען מנוטרל מוקדם מדי, הוא עשוי להתאושש לפני שהסרט יגיע לאזור הבעייתי הזה.

אם לחפץ יש יכולת לאגור מטען משמעותי ואם יש מתח גבוה, חשמל סטטי יגרום לבעיות חמורות כמו קשתות, דחייה/משיכה אלקטרוסטטית או התחשמלות לצוות.

טען את הקוטביות

מטען סטטי יכול להיות חיובי או שלילי.עבור זרם ישר (AC) ומגבילים פסיביים (מברשות), קוטביות הטעינה בדרך כלל אינה חשובה.

בעיות חשמל סטטי

פריקה סטטית באלקטרוניקה

יש צורך לשים לב לבעיה זו, כפי שזה קורה לעתים קרובות כאשר עובדים עם בלוקים אלקטרוניים ורכיבים המשמשים במכשירי בקרה ומדידה מודרניים.

באלקטרוניקה, הסכנה העיקרית הקשורה לחשמל סטטי נובעת מהאדם הנושא את המטען ואין להתעלם ממנה. זרם הפריקה מייצר חום, מה שמוביל לחיבורים שבורים, מגעים שבורים ועקבות מיקרו-מעגלים שבורים. המתח הגבוה גם הורס את סרט התחמוצת הדק על טרנזיסטורי אפקט השדה ואלמנטים מצופים אחרים.

לעתים קרובות, רכיבים אינם נכשלים לחלוטין, מה שיכול להיחשב אפילו יותר מסוכן, שכן התקלה אינה מופיעה מיד, אלא ברגע בלתי צפוי במהלך פעולת המכשיר.

ככלל, כאשר עובדים עם חלקים והתקנים הרגישים לסטטיסטיקה, עליך תמיד לנקוט בצעדים לנטרול המטען המצטבר על גופך.

משיכה / דחייה אלקטרוסטטית

זו אולי הבעיה הנפוצה ביותר בתעשיות הפלסטיק, הנייר, הטקסטיל והנלוות. זה מתבטא בעובדה שהחומרים משנים את התנהגותם באופן עצמאי - הם נצמדים זה לזה או להפך, דוחים, נצמדים לציוד, מושכים אבק, רוח לא סדירה על המכשיר הקולט וכו'.

משיכה/דחייה מתרחשת בהתאם לחוק קולומב, המבוסס על עקרון ההיפך מהריבוע. בצורתו הפשוטה ביותר, הוא מתבטא באופן הבא:

כוח המשיכה או הדחייה (בניוטון) = מטען (A) x מטען (B) / (מרחק בין עצמים 2 (במטרים)).

לכן, עוצמת האפקט הזה קשורה ישירות לאמפליטודה של המטען הסטטי ולמרחק בין עצמים מושכים או דוחים. משיכה ודחייה מתרחשות בכיוון קווי השדה החשמלי.

אם לשני מטענים יש קוטביות זהה, הם דוחים; אם ההיפך, הם מושכים זה את זה. אם אחד מהעצמים טעון, זה יגרום למשיכה, יצירת תמונת מראה של המטען על עצמים ניטרליים.

סכנת שריפה

סכנת שריפה אינה בעיה שכיחה בכל הענפים. אבל הסבירות לשריפה גבוהה מאוד בדפוס ובעסקים אחרים שמשתמשים בממסים דליקים.

באזורים מסוכנים, מקורות ההצתה הנפוצים ביותר הם ציוד לא מוארק וחוטים נעים. אם מפעיל באזור מסוכן נועל נעלי ספורט או נעליים עם סוליה לא מוליכות, קיים סיכון שגופו יפיק מטען שעלול להצית ממסים. חלקים מוליכים לא מקורקעים של המכונה אף הם מסוכנים. כל מה שנמצא באזור הסכנה חייב להיות מקורקע כראוי.

המידע הבא מספק הסבר קצר על פוטנציאל ההצתה של חשמל סטטי בסביבות דליקות. חשוב שסוחרים חסרי ניסיון יהיו מודעים מראש לסוגי הציוד על מנת למנוע טעויות בבחירת המכשירים לשימוש בתנאים כאלה.

היכולת של פריקה לגרום לשריפה תלויה במשתנים רבים:

• סוג סילוק;

• כוח פריקה;

• מקור פריקה;

• אנרגיה פריקה;

• נוכחות של סביבה דליקה (ממיסים בשלב הגז, אבק או נוזלים דליקים);

• אנרגיית הצתה מינימלית (MEW) של תווך דליק.

סוגי הפרשות

ישנם שלושה סוגים עיקריים - מברשות ניצוץ, מברשת ומברשות החלקה. במקרה זה, הפרשות הכליליות לא נלקחות בחשבון, שכן היא אינה אנרגטית במיוחד וקורה די לאט. פריקת קורונה בדרך כלל אינה מזיקה ויש לשקול אותה רק באזורים עם סכנת שריפה ופיצוץ גבוהה מאוד.

פריקה כנה

זה מגיע בעיקר מחפץ מוליך בינוני, מבודד חשמלי. זה יכול להיות גוף אנושי, חלק ממכונה או כלי. ההנחה היא שכל האנרגיה של המטען מתפזרת ברגע הניצוץ. אם האנרגיה גבוהה מה-MEW של אדי הממס, עלולה להתרחש הצתה.

אנרגיית הניצוץ מחושבת באופן הבא: E (בג'ול) = ½ C U2.

הפרשות מהידיים

פריקת מברשת מתרחשת כאשר חלקי ציוד חדים מרכזים את המטען על משטחי חומרים דיאלקטריים שתכונות הבידוד שלהם גורמות להצטברותו. לפריקת מברשת יש אנרגיה נמוכה יותר מפריקת ניצוץ ולכן מהווה פחות סכנת התלקחות.

מורחים עם מברשת הזזה

ריסוס מברשת הזזה מתרחש על יריעות או גלילים של חומרים סינתטיים בעלי התנגדות גבוהה עם צפיפות מטען מוגברת וקוטביות מטען שונה בכל צד של הרשת. תופעה זו יכולה להיגרם משפשוף או ריסוס של ציפוי האבקה. ההשפעה דומה לפריקה של קבל שטוח ויכולה להיות מסוכנת בדיוק כמו פריקת ניצוץ.

מקור כוח ואנרגיה

הגודל והגיאומטריה של התפלגות המטען הם גורמים חשובים. ככל שנפח הגוף גדול יותר, כך הוא מכיל יותר אנרגיה. פינות חדות מגדילות את חוזק השדה ומקיימות פריקות.

כוח פריקה

אם חפץ בעל אנרגיה לא מתנהג טוב חַשְׁמַללמשל גוף אנושי, ההתנגדות של האובייקט תחליש את הפליטה ותפחית את המפגע. עבור גוף האדם, יש כלל בסיסי: נניח שכל הממיסים עם אנרגיית הצתה מינימלית פנימית של פחות מ-100 מ"ג יכולים להתלקח, למרות העובדה שהאנרגיה הכלולה בגוף יכולה להיות גבוהה פי 2 עד 3.

אנרגיית הצתה מינימלית MEW

אנרגיית ההצתה המינימלית של הממיסים וריכוזם באזור המסוכן הם גורמים חשובים ביותר. אם אנרגיית ההצתה המינימלית נמוכה מאנרגיית הפריקה, קיים סיכון לשריפה.

התחשמלות

יותר ויותר תשומת לב מוקדשת לשאלת הסיכון להלם סטטי במפעל תעשייתי. זאת בשל עלייה משמעותית בדרישות הבריאות והבטיחות התעסוקתית.

התחשמלות הנגרמת מחשמל סטטי בדרך כלל אינה מסוכנת במיוחד. זה פשוט לא נעים ולעיתים קרובות גורם לתגובות קשות.

ישנן שתי סיבות נפוצות להלם סטטי:

מטען מושרה

אם אדם נמצא בשדה חשמלי ומחזיק חפץ טעון, כמו סליל של סרט, ייתכן שגופו ייטען.

המטען נשאר בגופו של המפעיל אם הוא נועל נעליים עם סוליות מבודדות עד שהוא נוגע בציוד המוארק. המטען זורם אל הקרקע ופוגע באדם. זה קורה גם כאשר המפעיל נוגע בחפצים או חומרים טעונים - בגלל הנעליים המבודדות, המטען מצטבר בגוף. כאשר המפעיל נוגע בחלקי המתכת של הציוד, המטען עלול להתרוקן ולגרום להתחשמלות.

כאשר אנשים הולכים על שטיחים סינתטיים, חשמל סטטי נוצר ממגע בין השטיח לנעליים. המכות החשמליות שנהגים מקבלים כשהם יוצאים ממכוניותיהם מופעלים על ידי מטען שנבנה בין המושב לבגדיהם כשהם קמים. הפתרון לבעיה זו הוא לגעת בחלק מתכתי של המכונית, כמו משקוף, לפני ההרמה מהמושב. זה מאפשר למטען להתנקז בבטחה לקרקע דרך גוף הרכב והצמיגים.

הלם חשמלי שנגרם על ידי ציוד

התחשמלות כזו אפשרית, אם כי היא מתרחשת הרבה פחות מאשר נזק שנגרם על ידי החומר.

אם לסליל האיסוף יש מטען משמעותי, קורה שאצבעות המפעיל מרכזות את המטען עד כדי כך שהוא מגיע לנקודת השבירה ומתרחשת פריקה. כמו כן, אם חפץ מתכת לא מקורקע נמצא בשדה חשמלי, הוא עלול להיטען במטען מושרה. מכיוון שחפץ מתכת מוליך, המטען הנייד יפרק לתוך האדם שנוגע בחפץ.