Pobierz artykuł - epsilon-x

Transkrypt

Bronisław Marek WIECHUŁA
Elektryzacja przez kontakt jako pierwotne źródło zagrożenia
od elektryczności statycznej.
Charging by contact as the primary source of a hazard from static electricity.
Streszczenie
W artykule uwagę poświęcono elektryzacji przez kontakt materiałów, którą powinno się traktować jako
pierwotne źródło zagrożenia od elektryczności statycznej. W pierwszej części 1 rozdziału wyjaśniono przyczyny
zakłóceń wywołanych przez naelektryzowany materiał oraz opisano zakłócenia wywołane wskutek elektryzacji
przez kontakt materiału. W drugiej części 1 rozdziału poświęcono uwagę zagrożeniom od elektryczności
statycznej wywołanymi niekorzystnym oddziaływaniem pola elektrycznego na człowieka, na system
technologiczny lub na otaczającą atmosferę potencjalnie wybuchową.
Na podstawie opisów historycznych prześledzono sylwetki uczonych, którzy dokonywali kolejnych odkryć,
zjawisk wywoływanych przypadkowym naelektryzowaniem materiałów wywołanych po elektryzacji przez
kontakt. Obecność w materiale ładunku indukowanego tego samego znaku przejawia się tym, że materiał jest
naelektryzowany. Opisano zasadę elektryzacji przez kontakt materiału niemetalowego, która jawi się jako
pierwotny czynnik wywołujący naelektryzowanie materiału. Obecność ładunków indukowanych na
naelektryzowanym materiale jest wykrywana za pomocą elektroskopu. Na zakończenie podano przykład
zagrożenia wybuchem od elektryczności statycznej wywołanego ciągłą elektryzacją przez kontakt, podczas
pneumatycznego transportu pyłu przez elastyczny wąż z uziemionym oplotem metalowym.
Abstract
In this article attention is paid charging by contact of materials that should be considered as a primary source of
the danger of static electricity. In the first part of one chapter explains the causes of interference caused by the
charged material and describes the distortions caused charging by contact of the material. In the second part of
one chapter devoted attention to the risks of static electricity caused by the adverse effects of the electric field at
the man, the technological system, or the surrounding atmosphere potentially explosive.
Based on the historical records traced silhouette of a scholars who have made further discoveries accidental
phenomena caused by random charged material caused after charging by contact. The presence of a charge
induced in the material of the same character is manifested in that the material is charged. Described the
principle of charging by contact through material non-metallic, which appears to be a primary causative agent of
charging material. The presence of a charges induced on the charged material is detected by an electroscope. At
the end is an example hazard of explosion from static electricity caused by continuous charging by contact
during pneumatic transport of dust by a flexible hose with grounded metal braid.
1. Zagrożenie od elektryczności statycznej
Zespół zjawisk towarzyszących pojawieniu się
nadmiarowego ładunku elektrycznego na materiale o
małej
przewodności
elektrycznej
(materiał
nieprzewodzący) lub na odizolowanych od ziemi
materiałach przewodzących (np. ciało człowieka,
elementy przewodzące urządzeń) nazywany jest
elektrycznością statyczną. Ochrona przed elektrycznością
statyczną wymaga odpowiedniej wiedzy, która z reguły
nie jest łatwo dostępna. Eksperci w dziedzinie zagadnień
ochrony przed elektrycznością statyczną, powinni
wykazywać się znajomością teorii pola elektrycznego,
budowy materiałów oraz techniki wysokich napięć.
Istotne znaczenie w ocenie zagrożeń od elektryczności
statycznej powinna mieć szybkość odprowadzania
ładunku z powierzchni naelektryzowanego materiału [6].
Eksperci zadają sobie fundamentalne pytania dotyczące
zagrożeń od elektrostatyczności statycznej w procesach
przemysłowych (elektrostatyka przemysłowa) i ochrony
Sympozjum naukowo-techniczne
„Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.” EpsilonX 2013
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
przed piorunami (elektrostatyka atmosferyczna). W
związku z tym zagadnienia ochrony przed elektrycznością
statyczną można podzielić na dwie odrębne dziedziny
tzn. ochronę przed elektrycznością statyczną w przemyśle
i ochronę odgromową w procesach atmosferycznych.
Pełniejsza ocena zjawisk oraz dobór metod badania
materiałów wymaga znajomości zjawiska elektryzowania
materiału wskutek elektryzacji przez kontakt oraz
odprowadzania ładunku w trakcie miejscowego
rozładowania naelektryzowanego materiału. Zrozumienie
procesu elektryzowania materiału nieprzewodzącego
może ułatwić właściwe nadzorowanie zagrożeń i stać się
jednym
z
kluczowych
zadań
bezpieczeństwa.
„Zatruwanie” środowiska zagrożeniami od elektryczności
statycznej, wynika z faktu powstawania silnych pól
elektrycznych w otoczeniu człowieka. Pomimo
szczegółowych wymagań w zakresie ochrony przed
elektrycznością statyczną zawartych w przepisach,
normach i procedurach, ciągle jeszcze dochodzi na
świecie i w kraju do wybuchów i pożarów wywołanych
przez iskrowe ESD, w którym ofiarami są ludzie.
Elektryzacja przez kontakt materiału przyczynia się do
pojawienia zagrożenia od elektryczności statycznej. W
każdym przypadku, pochodzenie i charakter zagrożenia
od elektryczności statycznej powinno być rozpatrywane
indywidualnie. Termin „zagrożenie” powinien być
uszczegółowiony z podaniem jego pochodzenia (np.
elektryzowanie człowieka wskutek ciągłej elektryzacji
przez kontakt) albo charakteru oczekiwanej szkody (np.
zagrożenie wstrząsem elektrostatycznym, iskrowe
elektrostatyczne wyładowanie ESD jako efektywne
źródło zapłonu, zagrożenie pożarem). W związku z tym
zagrożenie od elektrostatyczności statycznej powinno być
traktowane jako egzogenne (wywołane przez czynniki
zewnętrzne).
Zagrożenie od elektryczności statycznej powstaje, gdy:
- w miejscu użytkowania materiału nie można wykluczyć
możliwości występowania elektryzacji przez kontakt.
Można wyróżnić dwa rodzaje elektryzacji przez kontakt:
- doraźną w trakcie wykonywania czyszczenia,
konserwacji, elementów niemetalowych np. czyszczenie
szybek gogli, przetarcie skorupy hełmu jak również
podnoszenie człowieka z krzesła, chodzenie po
nieprzewodzącej posadzce, zdejmowanie części odzieży.
Wartość ładunku przenoszonego w trakcie rozładowania
naelektryzowanego
odizolowanego
człowieka
przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Wartość ładunku przenoszonego w trakcie
rozładowania
naelektryzowanego
doraźnie
odizolowanego człowieka.
Lp.
Elektryzacja
Ładunek
przez kontakt
przenoszony
Q(nC)
1
Podnoszenie z
265
krzesła
2
Przejście po
700
nieprzewodzącej
posadzce
3
Zdejmowanie
900
części odzieży
- ciągłą w trakcie użytkowania elementów niemetalowych
(np. odzież ochronna noszona przez człowieka w ruchu,
taśma przenośnikowa przesuwana po uziemionych
elementach przewodzących, pneumatyczny transport
pyłu przez rurę).
- materiał, jest zdolny do naelektryzowania,
(„chargealbility”) [8]. W materiale nośnikami ładunku
mogą być elektrony oraz jony. Ładunek wytwarza wokół
siebie pole elektryczne. Materiałami, w których zjawiska
związane z gromadzeniem ładunku elektrycznego
wyróżniają się szczególnie mocno, są materiały o
elektrostatycznych właściwościach nieprzewodzących.
Wyroby nieprzewodzące są użytkowane we wszystkich
gałęziach przemysłu.
- naelektryzowany materiał oddziałuje na otaczające
środowisko. Naelektryzowany materiał wytwarza w
skończonym przedziale czasu niejednorodne pola
elektryczne, które wskutek miejscowego rozładowania
może być wzmocnione krótkotrwałym impulsem
nakładającym się na pole już istniejące [3]. Obecność
pola elektrycznego wokół naelektryzowanego materiału
wytwarza dwa rodzaje zagrożeń od elektryczności
statycznej:
1. zakłócenia systemu technologicznego,
2.
niekorzystne
oddziaływanie
pola
elektrycznego.
1. Zakłócenia systemu technologicznego
Pole elektryczne wokół naelektryzowanego materiału
może wywołać zakłócenia uniemożliwiające normalną
pracę systemu technologicznego. Zakłócenia wywołane
przez naelektryzowany materiał utrudniają poprawne
funkcjonowanie procesów przemysłowych,
1. wstrząsy elektrostatyczne w momencie dotknięcia
naelektryzowanego materiału o elektrostatycznych
właściwościach nieprzewodzących,
2.1 Niekorzystne oddziaływanie pola elektrycznego
na człowieka
Skutkiem
przebywania
w
polu
elektrycznym
odizolowanego człowieka jest jego naelektryzowanie.
Odizolowany człowiek w trakcie obsługi urządzeń
przeznaczonych
do
przetwórstwa
materiałów
niemetalowych zdolnych do naelektryzowania oraz przy
operowaniu nimi (np. rozwijanie rulonu folii) jest
narażony na ciągłe oddziaływanie pola elektrycznego.
Odizolowany naelektryzowany człowiek w trakcie
rozładowania wskutek przypadkowego dotknięcia
uziemionego elementu przewodzącego odczuwa jego
skutki, w postaci lekkiego ukłucia aż do silnego wstrząsu.
Uziemiony człowiek wskutek przypadkowego dotknięcia
spowoduje miejscowe rozładowanie naelektryzowanego
materiału niemetalowego. Jeżeli wskutek rozładowania
naelektryzowanego
materiału
wartość
ładunku
przenoszonego wyniesie ca 1000 nC, to energia
iskrowego ESD wyniesie W = 2,5 mJ.
Oddziaływanie pola elektrycznego na człowieka nie jest
obojętne dla organizmu. Może mieć ujemny wpływ na
stan zdrowia i samopoczucie wskutek przebywania przez
dłuższy czas w polu elektrycznym. Silne wstrząsy mogą
wywołać u człowieka gwałtowny, niekontrolowany
odruch, a w efekcie spowodować nieszczęśliwy wypadek.
Jeżeli człowiek obsługuje urządzenie z ruchomymi lub
ostrymi elementami (np. walce, koła zębate, noże itp.) lub
pracuje na wysokości, to niebezpiecznym efektem
wstrząsu może być gwałtowny, odruchowy unik, mogący
doprowadzić do upadku, poważnych obrażeń i
uszkodzeń ciała człowieka, uderzenia a w skrajnych
przypadkach do śmierci.
Odizolowany człowiek obsługujący maszyny i urządzenia
wyposażone w elementy niemetalowe narażone w
warunkach użytkowania na ciągłą elektryzację przez
kontakt może doznawać wielokrotnych nieprzyjemnych
wstrząsów elektrostatycznym (patrz Tabela 2).
Długotrwałe oddziaływanie pola elektrycznego na
człowieka może wywołać zmiany w organizmie w
układzie krążenia oraz w układzie nerwowym, a także w
strukturze morfologicznej krwi. Szkodliwe oddziaływanie
biologiczne może ulec wzmocnieniu w trakcie iskrowego
ESD. Wyjątek stanowią sytuacje, gdy wstrząsy
odczuwane są przez człowieka w sposób ciągły i
oddziałują stale w jedno miejsce. W skrajnych
przypadkach sytuacje te mogą wywołać skurcz mięśni,
zaburzenie rytmu serca lub jego zatrzymanie. Jednak takie
sytuacje są bardzo rzadkie.
Ponieważ brak jest obecnie przepisów określających
dopuszczalną wartość ładunku przenoszonego w trakcie
rozładowania
odizolowanego
naelektryzowanego
człowieka w Tabeli 2 podano typowe poziomy percepcji
zgodnie z IEC/TR 61340-1: 2012 Electrostatics - Part
2. zlepianie się lub odpychanie naelektryzowanej cienkiej
folii niemetalowej uniemożliwiając nawijanie lub
przewijanie (trudności w przetwórstwie, cięciu, układaniu
i sortowaniu),
3. zanieczyszczanie powierzchni wyrobów wskutek
przyciągania z niezwiązanych cząstek pyłu,
4. iskrzenie w miejscu rozwijania taśmy izolacyjnej,
5. klejenie się wzajemne naelektryzowanych części
odzieży i do ciała człowieka,
6. uszkodzenie (niszczące lub pogarszające parametry)
elementu elektronicznego wskutek przebicia cienkich
warstw izolacyjnych (tlenków metali) w strukturach
tranzystorów lub układów scalonych. Uszkodzenie mogą
występować na etapie ich produkcji, pakowania,
transportu, sprzedaży, montażu i eksploatacji
kompletnych urządzeń, oraz obsłudze serwisowej.
7. oddziaływanie pola elektrycznego na układy scalone:
7.1 degradacja odstępów izolacyjnych. Uszkodzenie
struktury materiału izolacyjnego w efekcie silnie
utleniającego działania reaktywnego tlenu „in statu
nascendi” ("w trakcie powstawania") iskrowego ESD.
Przebicie materiału może powodować wytworzenie
ścieżek erozyjnych w ścieżkach izolacyjnych obwodu
(rzędu mikrometrów i nanometrów), które ze względu na
małą grubość mają niewielką wytrzymałość na przebicie
(kilkadziesiąt do kilkuset V);
7.2 degradacja ścieżek przewodzących. Pojemność
cieplna ścieżek przewodzących w układach scalonych nie
jest wystarczająca, żeby wytrzymać powstający udar
cieplny. Krótkotrwałe impulsy prądowe mogą osiągać
natężenia od kilku do kilkunastu amperów. Niszczące
stopienie i przerwanie cienkiej ścieżki przewodzącej w
strukturach układów scalonych.
Rozładowaniu naelektryzowanego człowieka, który
dotyka
uziemionego
elementu
przewodzącego,
towarzyszy iskrowe ESD.
W ostatnich latach obserwuje się stały wzrost
zainteresowań zagadnieniami zwalczania zagrożeń od
elektryczności statycznej, które zakłócają produkcję w
zakładach przemysłowych, wywołują uszkodzenia
układów scalonych powodując awarię systemu lub trudne
do wykrycia przypadkowe zakłócenia.
2. Niekorzystne oddziaływanie pola elektrycznego
Zagrożenia od elektryczności statycznej wywoływane
przez niekorzystne oddziaływanie pola elektrycznego na:
2.1 Człowieka,
2.2 System technologiczny,
2.3 Otaczającą atmosferę potencjalnie wybuchową.
1: Electrostatic phenomena - Principles and
measurements r. 5.4.
Tablica 2: Typowe poziomy percepcji i fizyczne reakcje
człowieka o pojemności 200 pF na iskrowe ESD.
Energia
Ładunek
Poziom
wyładowania
przenoszony
percepcji
W (mJ)
Q (nC)
0,1
200
wyczuwalny
0,9
600
wrażenie
odczuwalne
6,4
1600
nieprzyjemny
wstrząs
Nieprzyjemne wstrząsy są niebezpieczne dla zdrowia i
należy dążyć do ich eliminowania.
na system technologiczny (uszkodzenia
elementów elektronicznych)
Niekorzystne
oddziaływanie
pola
elektrycznego
uniemożliwia
poprawną
eksploatację
systemu
technologicznego. Powinno ono być uwzględniane już na
etapie projektowania systemów technologicznych. W
trakcie projektowania systemu technologicznego należy
przewidzieć występowanie elektryzacji przez kontakt i
uwzględnić konsekwencje jakie może wywołać
naelektryzowanie.
Niekorzystne oddziaływanie pola elektrycznego może
wpływać na zmniejszenie wydajności procesu produkcji.
Długotrwałe oddziaływanie pola elektrycznego może
wywołać obniżenie jakości produkcji albo skrócić
żywotność wyrobów.
Wzmocnione pole elektryczne wskutek przypadkowego
wystąpienia iskrowego ESD może powodować
zakłócenia w poprawnym funkcjonowaniu urządzeń.
Indukcja dodatkowego napięcia i prądu w obwodzie
elektrycznym może prowadzić do stanów awaryjnych w
trakcie użytkowania urządzeń np.:
- ograniczanie w funkcjonowaniu komputera,
- zafałszowanie wskazań w odbiorze i przetwarzaniu
sygnałów w układach sterowania,
- uszkodzenie elementów elektronicznych nadzorujących
bezpieczny przebieg systemu technologicznego w
aparaturze kontrolno pomiarowej,
szkodliwe
wskazania
medycznej
aparatury
diagnostycznej.
na atmosferę potencjalnie wybuchową
Człowiek doznaje przypadkowych czasami przykrych lub
bolesnych wstrząsów, jednak nie zdaje sobie sprawy, że
nawet ledwo wyczuwalne wstrząsy są iskrowymi ESD.
Każdy wstrząs towarzyszący człowiekowi może wywołać
zapłon atmosfery potencjalnie wybuchowej, z
prawdopodobieństwem większym od zera. Zagrożenie
wybuchem powstaje wówczas, gdy energia W iskrowego
ESD osiąga wartość większą lub równą minimalnej
energii zapłonu (MIE) gazowej atmosfery wybuchowej
[1].
Rozładowaniu
naelektryzowanych
odizolowanych
elementów
przewodzących,
do
ziemi
np.
naelektryzowanego człowieka, towarzyszy wytwarzanie
ekstremalnie dużej energii W. W trakcie rozładownia
naelektryzowanego człowieka iskrowe ESD może być
źródłem zapłonu atmosfery potencjalnie wybuchowej.
Jeżeli w wyniku rozładowania iskrowe ESD jest
odczuwalne przez człowieka, to energia W wyładowania
wynosi co najmniej 0,9 mJ (próg reakcji fizjologicznej
organizmu ludzkiego umieszczony w Tabeli 2). Energia
ta jest co najmniej kilkakrotnie wyższa od minimalnej
energii zapłonu MIE większości gazowych atmosfer
wybuchowych. Przykładowo, minimalna energia zapłonu
metanu wynosi 0,28 mJ.
Miejscowe rozładowanie naelektryzowanego elementu
nieprzewodzącego wskutek przypadkowego dotknięcia
przez uziemionego człowieka może wywołać
wyczuwalny wstrząs elektrostatyczny o energii 0,2 mJ. W
takim przypadku wartość ładunku przenoszonego w
trakcie rozładowania wyniesie ca 300 nC.
3
Definicje
Dla wyjaśnienia treści
następujące definicje:
artykułu
wprowadzono
Butelka (lejdejska) Kleista – urządzenie (pierwowzór
kondensatora) służące do gromadzenia ładunku
elektrycznego.
Dielektryk, izolator elektryczny – materiał, w którym
prąd elektryczny jest bardzo słabo przewodzony. Może
to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków
elektrycznych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych
czynników równocześnie.
Elektret - dielektryk, w którym w sposób trwały
utrzymuje się polaryzacja dipolowa lub naelektryzowanie.
Elektret wytwarza zewnętrzne pole elektryczne i w tym
sensie jest elektrostatycznym odpowiednikiem magnesu
trwałego.
Elektrostatyka – dział fizyki zajmujący się polem
elektrycznym, wytwarzanym przez stacjonarne ładunki
elektryczne nie wymagającym stałego doprowadzenia
energii
Elektryczny moment dipolowy p - wektorowa
wielkość fizyczna charakteryzująca dipol elektryczny.
Dipol jest układem dwóch ładunków o tych samych
wartościach bezwzględnych, ale przeciwnych znakach.
Znaczenie dipola wynika z faktu, że atomy w polu
elektrycznym stają się dipolami (polaryzacja materiału).
Właściwości elektryczne materiału wiążą się z
własnościami dipola elektrycznego w polu elektrycznym.
Elektryzacja przez kontakt (trybo elektryzacja) –
zjawisko przemieszczania się ładunku elektrycznego
(elektronów, które mają większą swobodę w strukturze
materiałów) w obrębie materiału pod wpływem innego
materiału. Skutkiem jest wytwarzanie ładunku
elektrycznego na dwu materiałach pocieranych
wzajemnie.
Iskrowe ESD (z ang. electrostatic discharge) – iskrowe
(wyładowanie elektrostatyczne) – transport ładunku
przenoszonego (nagły przepływ prądu elektrycznego)
przepływającego między dwoma materiałami o różnych
potencjałach elektrycznych (IEC 61340-1-2). wywołane
w kierunku kontaktu lub indukowane przez pole
elektrostatyczne.
Gęstość powierzchniowa σ [C/m2] ładunku
elektrycznego - wielkość ładunku Q przypadająca na
jednostkę powierzchni S naelektryzowanego materiału.
Kondensator - element elektryczny (elektroniczny),
zbudowany z dwóch przewodników (okładek)
rozdzielonych dielektrykiem. Kondensator charakteryzuje
pojemność C określająca zdolność kondensatora do
gromadzenia ładunku Q (1):
C=
Q
U
(1)
gdzie:
C [F] – pojemność kondensatora,
Q [C]– ładunek zgromadzony na jednej okładce,
U [V] – napięcie elektryczne między okładkami.
Doprowadzenie
napięcia
do
okładek
kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich
ładunku elektrycznego. Po odłączeniu od źródła
napięcia, ładunki utrzymują się na okładkach siłami
przyciągania elektrycznego. Pojemność określa zdolność
kondensatora do gromadzenia ładunku. Jeżeli na
określonej elektrodzie (okładce kondensatora) gromadzi
się ładunek elektryczny Q, to przenosi się on na drugą
okładkę Pojemność kondensatora w układzie SI
(jednostka pochodna w układzie SI) wyrażana jest w
Faradach [F]. Pojemność elektryczna odosobnionego
przewodnika 1 F wyrażona worem (2), jest to stosunek
ładunku Q zgromadzonego na przewodniku do
wywołanego przez ten ładunek napięcia U.
1F =
1C 1A ⋅ 1s
A2 s 4
=
=1
1V
1V
kg ⋅ m 2
(2)
Jeden farad jest to bardzo duża jednostka, dlatego w
praktyce spotyka się kondensatory o pojemnościach
piko-(10-12 F), nano-(10-9 F), mikro-(10-6 F) i mili-(10-3)
Farad. Odwrotnością pojemności elektrycznej jest
elastancja wyrażana w darafach (nie jest to jednostka w
układzie SI).
Ładunek (elementarny) elektryczny Q [C] – jedna z
pierwotnych wielkości fizycznych. W układzie SI jest
wyrażany w kulombach i ma przybliżoną wartość.
Wartość ładunku elektronu (równoważnie, dodatnia
ładunku protonu), wynosi e=1,6021764(40)×10-19 C. W
układzie SI jednostka ładunku elektrycznego nosi nazwę
Charles-Augustin de Coulomb. Wartość ładunku 1 C jest
definiowana jako:
- transportowanego przez prąd stały 1 A w czasie 1 s (3):
1C = 1A x 1s
(3)
lub równoważnie:
- na dodatnio spolaryzowanej okładce kondensatora o
pojemności 1 F i różnicy potencjałów 1 V między
okładkami kondensatora (4)
1C = 1F x 1V
(4)
Ładunek indukowany – jeżeli ładunek wytwarzający
pole otoczymy zamkniętą powierzchnią (wg prawa
Gaussa), to całkowity ładunek indukowany na
powierzchni zamkniętej jest równy ładunkowi
zamkniętemu w tej powierzchni.
Ładunek przenoszony Q (nC) - miejscowe
odprowadzanie ładunku Q z naelektryzowanego
materiału. Jeżeli wartość ładunku przenoszonego Q z
naelektryzowanego materiału nie przekracza 10 nC, to
nie stwarza on zagrożenia wybuchem w atmosferze
potencjalnie wybuchowej.
Materiał niemetalowy – materiał pochodzenia
sztucznego (tworzywa syntetyczne lub tworzywa
modyfikowane strukturalnie) lub naturalnego (materiały
ceramiczne, drewno).
Materiał nieprzewodzący (elektrostatycznie) –
materiał o parametrach rezystancyjnych (rezystancji
powierzchniowej RS, skrośnej RV) przekraczających
wartość 1,0 x 109 Ω (np. tworzywa sztuczne).
Gromadzony na nim ładunek indukowany nie ulega
rozproszeniu nawet wtedy, kiedy ma zapewniony kontakt
z ziemią.
Materiał przewodzący (elektrostatycznie) – materiał
niezdolny do gromadzenia ładunku elektrycznego w
przypadku jego kontaktu z ziemią, a posiadający
rezystancję powierzchniową RS i skrośną RV mniejszą lub
równą 1,0 x 106 Ω (rezystancja poniżej zakresu
pozwalającego rozpraszać prądy i unikać wstrząsu
elektrycznego).
Materiał rozpraszający (elektrostatycznie) – materiał
niezdolny do odkładania ładunku elektrycznego w
przypadku jego kontaktu z ziemią, a posiadający
rezystancję powierzchniową RS i skrośną RV z przedziału
wartości (1,0 x 106 Ω, 1,0 x 109 Ω),
Materiał antyelektrostatyczny – materiał przewodzący
lub rozpraszający, na którym nie odkłada się ładunek
elektrostatyczny, gdy znajduje się on w kontakcie z
ziemią.
UWAGA: Słowo to jest powszechnie używane do opisu rodzaju
obuwia lub kompozycji antystatyku ciekłego.
Polaryzacja
dielektryka
(również:
polaryzacja
dielektryczna) – zjawisko polegające na utworzeniu dipoli
elektrycznych lub zmianie ustawienia już istniejących
dipoli w materiale. Atomy i cząsteczki w materiale
polaryzują się w polu elektrycznym, tzn. indukują się
dipole elektryczne. W wyniku polaryzacji w dielektryku
powstaje wewnętrzne pole elektryczne. Makroskopowo
polaryzacja objawia się tym, że zwiększa pojemność
elektryczną kondensatora wypełnionego dielektrykiem.
Przenikalność elektryczna ε – wielkość fizyczna
charakteryzująca właściwości elektryczne materiału. W
układzie SI jednostką przenikalności elektrycznej jest
F·m-1 (farad na metr).
Rezystancja powierzchniowa RS (Ω) rezystancja po
powierzchni materiału pomiędzy dwoma równoległymi
elektrodami o równej długości styku.
Rezystancja skrośna RV (Ω) rezystancja na dwóch
przeciwległych powierzchniach materiału pomiędzy
dwoma elektrodami umieszczonymi na wskroś.
Wstrząs elektrostatyczny - patofizjologiczny efekt,
wynikający z przepływu prądu elektrycznego przez ciało
człowieka.
Wytrzymałość elektryczna E (V/m) – największa
wartość natężenia pola elektrycznego, jaka może istnieć w
dielektryku (izolatorze) bez wywołania wyładowania
iskrowego.
Zagrożenie - potencjalne źródło szkody wywołane
działaniem sił np. elektrostatycznych bądź człowieka,
które powoduje, że poczucie bezpieczeństwa maleje bądź
zupełnie zanika.
4 Rys historyczny
Zjawisko elektryzacji przez kontakt materiałów jest znane
od starożytności. Wyjaśnianie zjawisk występujących
podczas procesu elektryzacji trwa jednak po dzień
dzisiejszy. Zdolność do elektryzowania materiałów [9],
może mieć charakter przypadkowy, zwykle szkodliwy lub
być wynikiem celowo prowadzonego procesu.
3.1 VI wiek p.n.e.
O istnieniu oddziaływań elektrostatycznych wiedziano
już w starożytności. Nazwa elektryczność pochodzi od
greckiego słowa ēlektron oznaczającego bursztyn. W
starożytności efekt elektrostatyczny znany był jako "efekt
bursztynu", ponieważ był szczególnie związany z
pocieraniem bursztynu materiałem.
Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki
elektryczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny
działa siła elektrostatyczna.
Rys. 2: William Gilbert.
Główne dzieło Gilberta pod tytułem De Magnete,
Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (O
Magnesach i ciałach magnetycznych, oraz o wielkim
magnesie Ziemi) zostało opublikowane w 1600 r. Gilbert
pierwszy spopularyzował w języku angielskim termin
"elektryczność". Na jego cześć jednostkę siły
magnetomotorycznej (napięcie magnetyczne) nazwano
gilbert (Gb).
Maszyna elektrostatyczna
Rys. 1: Tales z Miletu gr. Θαλῆς ὁ Μιλήσιος Thales ho
Milesios.
Elektryczność statyczna w tym elektryzacja znane były
prawie 2600 lat temu. Grecki filozof i matematyk Tales z
Miletu, (620-540 p.n.e.) był jednym z siedmiu mędrców
należących do grupy Presocratic. Jemu przypisuje się
odkrycie elektryczności. Zauważył, że potarty wełną
bursztyn przyciąga drobne, lekkie materiały jak np.
drewniane wiórki. Opisał kilka eksperymentów o
elektryzacji przez kontakt za pomocą bursztynu, futra
kota itp. Opisał również ruch cząstek, który może być
wywołany w bezpośrednim sąsiedztwie "wypełnionych"
materiałów [9].
Otto von Guericke (rys. 3) (*20. 11. 1602 Magdeburg, +
11. 05. 1686 Hamburg). Był niemieckim fizykiem i
wynalazcą.
W
1663
skonstruował
maszynę
elektrostatyczną. Jest to urządzenie służące do
wytwarzania i gromadzenia ładunków elektrycznych (na
jednej elektrodzie dodatnich, a na drugiej ujemnych).
3.2 XVII wiek
William Gilbert (rys. 2) (*24. 05. 1544 Colchester - +
10. 12. 1603 Londyn). Był angielskim fizykiem i
lekarzem, odkrywcą indukcji magnetycznej oraz
elektryzacji przez kontakt. Jako pierwszy przeprowadził
ok. 1600 roku szczegółowe badania i wykazał, że oprócz
bursztynu można naelektryzować również inne materiały
[5]. Stwierdził, że także inne materiały kiedy zostaną
potarte zachowują się jak naelektryzowany bursztyn.
Wykazał, że wskutek elektryzacji przez kontakt (tarcie)
można naelektryzować wiele materiałów.
Rys. 3: Otto von Guericke oraz znaczek wybity na
pamiątkę 250 rocznicy śmierci.
Maszyna elektrostatyczna zbudowana przez Otto von
Guericke (rys. 4) w 1663 została opisana jako duża kula
siarki zamontowana na pionowych wspornikach. Kula
siarki była obracana korbą. Elektryzacja przez kontakt
(tarcie) kuli wywoływana była wskutek położenia dłoni
na obracanej kuli. Kula siarki obrotowo dotykając
uziemionej wkładki wytwarzała iskrowe wyładowania
elektrostatyczne. Jednak, Otto von Guericke nie miał
pojęcia, co to są za iskrowe wyładowania.
Rys. 6: Przenoszenie „mocy elektrycznej” na odległość.
Rys. 4: Pierwowzór maszyny elektrostatyczny Otto von
Guericke.
Maszyna elektrostatyczna może wytwarzać bardzo duże
napięcia, jednakże zupełnie nie nadaje się do ciągłego
dostarczania dużych prądów.
3.3 XVIII wiek
Stephen Gray (* w grudniu 1666 Canterbury w
hrabstwie Kent, + 07. 07. 1736 Londyn). Był angielskim
naukowcem i astronomem amatorem. Jako pierwszy
prowadził
systematyczne
eksperymenty
nad
przewodnictwem elektrycznym. W 1719 zaczął
eksperymentować z elektrycznością statyczną, za pomocą
naelektryzowanej szklanej rurki. Pewnej nocy w swoim
pokoju w Charterhouse, zauważył, że korek na końcu
naelektryzowanej rurki wytwarza siłę przyciągania małych
skrawków papieru.
Obserwacje te stały się później podstawą twierdzenia, iż
"moc elektryczna" może być przenoszona na odległość, z
materiału na materiał, przy pomocy metali i wilgotnych
włókien. Uznawany jest za jednego z ojców
elektryczności. Dalsze eksperymenty i obserwacje
badawcze przyczyniły się do podziału materiałów na
przewodniki i izolatory.
Pomysł, że istnieją dwa rodzaje energii elektrycznej
przedstawił [2] Charles François de Cisternay du Fay
(rys. 7) (* 14. 09. 1698 - + 16. 07. 1739). Był on
francuskim chemikiem, superintendentem i kuratorem w
Jardin du Roi Paryża. Dokonał ważnego odkrycia, że
istnieją dwa rodzaje elektryczności, jedna wytwarzana
przez szkło (materiały szkliste), druga przez żywicę
(materiały żywiczne).
Rys. 7: Charles François de Cisternay du Fay.
Rys. 5: Stephen Gray.
W 1730 przeprowadził ważne prace eksperymentalne, co
doprowadziło do zrozumienia różnicy pomiędzy
przewodnikami i izolatorami.
W 1734 roku, przedstawił swoją słynną teorię
elektrostatyki.
Przetestował
szereg
materiałów
poddanych elektryzacji przez kontakt. Na podstawie
wyników badań wyodrębnił grupę materiałów szklistych
(o energii elektrycznej szklistej) i grupę materiałów
żywicznych (o energii elektrycznej żywicznej). Do grupy
materiałów szklistych, zaliczył szkło, skały, kryształy,
kamienie szlachetne, sierść zwierząt, wełnę, itd.,
natomiast do grupy materiałów żywicznych zaliczył
bursztyn, gumę, jedwab, papier, itp.
Ewald Georg Jürgen von Kleist (rys. 8) (* 10. 06. 1700
Wicewo (Vietzow) koło Białogardu (Belgard), + 10. 12.
1748 Koszalin) Był dziekanem kamieńskiej kapituły
katedralnej.
energia elektryczna może być gromadzona w „butelce”,
jeżeli naelektryzowany materiał zbliżany był do
miedzianego pręta. Poprzez drut i wodę ładunek
dostawał się do środka naczynia i elektryzował
wewnętrzną warstwę metalową. Wskutek czego „butelka”
była
naelektryzowana.
Zbliżając
dłoń
do
naelektryzowanej zewnętrznej warstwy metalowej ciało
eksperymentatora doznawało
wstrząsu wskutek
przeskoku iskrowego ESD (rys. 10).
Rys. 8: Tablica pamiątkowa w Kamieniu Pomorskim o
następującej treści: „Ewald Georg Jurgen von Kleist - W
latach 1722-1747 dziekan kapituły kamieńskiej - W 300tną rocznicę urodzin mieszkańcy Kamienia Pomorskiego
10. VI. 2000”
Skonstruował prosty kondensator elektryczny (rys. 9),
czyli urządzenie które miało gromadzić energię
elektryczną. Urządzenie to składało się z naczynia
szklanego (dielektryka), dwu warstw metalowych
pełniących rolę okładek kondensatora oraz korka
przebitego na wylot miedzianym drutem. Naczynie
szklane było wypełnione wodą. Urządzenie nazwano
butelką (lejdejską) Kleista (w oryginale "Kleistche
Flasche").
Rys. 9: Butelka (lejdejska) Kleista.
11 października 1745 roku w Kamieniu Pomorskim
Ewald von Kleist po wielu próbach, dokonał wielkiego
odkrycia, które zrewolucjonizowało badania nad
elektrycznością. W trakcie swoich badań zauważył, że
Rys. 10: Rozładowanie
(lejdejskiej) kleista.
naelektryzowanej
butelki
Francuski ksiądz Jean-Antoine Nollet (1700 – 1770),
zapalony eksperymentator, wykonał w 1746 roku udane
doświadczenie z „Butelką (lejdejską) Kleista”. Na
dziedzińcu królewskiego pałacu w Wersalu, w obecności
króla i całego dworu, rozładował naelektryzowaną
„butelkę”, używszy łańcucha trzymających się za ręce 240
królewskich
gwardzistów
(schemat
poglądowy
przedstawiono na rys. 10). Ku podziwowi i uciesze
widzów, porażeni wstrząsem gwardziści równocześnie
podskoczyli do góry. Innym razem ten sam
eksperymentator rozładował „butelkę” łańcuchem
niemal trzykilometrowej długości utworzonym z
zakonników opactwa w Chartreux, połączonych ze sobą
odcinkami drutu. I w tym doświadczeniu jego uczestnicy
wyraźnie odczuli wstrząs.
Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora
powoduje zgromadzenie się na nich ładunku
elektrycznego (rys. 11). Po odłączeniu od źródła napięcia,
ładunki utrzymują się na okładkach kondensatora siłami
przyciągania elektrycznego. Jeżeli kondensator, jest
naładowany, to cały ładunek zgromadzony na obu
okładkach jest jednakowy co do wartości, ale
przeciwnego znaku.
zakładał dodatnie i ujemne naelektryzowanie materiałów.
Jako pierwszy wprowadził pojęcie polaryzacji dodatniej i
ujemnej, co udowodnił na przykładzie butelki (lejdejskiej)
Kleista. Stwierdził, że materiały naelektryzowane
jedoimiennie odpychają się, zaś naelektryzowane
różnoimiennie – przyciągają się z siłą F. Odkrył i
sformułował zasadę przyciągania się i oddalania
materiału w zależności od znaku ładunku elektrycznego.
Opatentował kilka wynalazków m.in. wynalazł
piorunochron, fotel bujany, okulary dwuogniskowe oraz
organy kieliszkowe.
Charles-Augustin de Coulomb (rys. 13) (*14. 06. 1736
– +23. 08. 1806). Był francuskim fizykiem.
Rys. 11: Naładowany modelowy kondensator.
Przekonywającym argumentem na rzecz przypisania
zmagazynowanej energii w kondensatorze polu
elektrycznemu jest próba z oddalaniem okładek
naładowanego kondensatora. W trakcie oddalania
okładek wykonywana jest praca, ponieważ okładki
przyciągają się. Między okładkami kondensatora stan
pola elektrycznego jest zależna od odległości między nimi
(rys. 11). Wszystkie własności elektryczne ładunku są
zawarte w polu elektrycznym wytwarzanym przez
ładunek.
Benjamin Franklin (rys. 12) (*17. 01. 1706 Boston, +
17. 04. 1790 Filadelfia). Był amerykańskim politykiem,
uczonym, filozofem, wolnomularzem. W latach 1747 –
1753 wykonywał doświadczenia, m.in. z latawcem i
„Butelką Kleista” – za pomocą tych urządzeń gromadził
energię elektryczną sprowadzaną z piorunów. Swoje
eksperymenty opisał w książce „Experiments and
Observations on Electricity”.
Rys. 13: Charles-Augustin de Coulomb.
W roku 1785 opublikował prawo znane pod nazwą
prawo Coulomb’a (5) opisując w nim związek między siłą
Fe, ładunkami q1, q2 i odległością r.
Fe = ke
q1 ⋅ q2
r2
gdzie:
Fe [N] – siła elektryczna,
ke [Nm2/C2] – stała Coulomba,
qi [C] – ładunek na materiale,
r [m] – odległość pomiędzy ładunkami.
Rys. 12: Benjamin Franklin oraz banknot studolarowy.
W dziedzinie fizyki prowadził m.in. badania nad
elektrycznością,. Dorobek Franklina z elektryczności
obejmuje teorię zjawisk elektrycznych, w których
(5)
4.2 Elektryzacja przez kontakt
Elektryzacja przez kontakt jest najczęściej występującym
w praktyce procesem powodującym przypadkowe lub
celowe naelektryzowanie materiału. Dotychczas brak jest
jednej i całościowej teorii dotyczącej elektryzacji przez
kontakt. Zjawiska wywołujące elektryzację przez kontakt
nie są do końca poznane. Być może mechanizm
elektryzacji zostanie rozwiązany w XXI wieku. Dostęp do
wyrafinowanych instrumentów może pomóc poznać
strukturę materiałów na poziomie atomowym i umożliwi
przybliżyć wyjaśnienia zjawiska elektryzacji.
4. Elektryzacja
Badania procesu elektryzacji materiału w wyniku tarcia i
kontaktu są grupą zagadnień, która od dawna jest
4.1 Wzbudzanie ładunku
uważana za jedną z najbardziej zagmatwanych i
nieścisłych. Za taki stan rzeczy odpowiada znaczna liczba
Elektryzacja jest pierwotnym źródłem wywołującym
zjawisk występujących w mikroprzestrzeni między
wzbudzanie ładunku indukowanego na powierzchni
dwoma materiałami w trakcie elektryzacji przez kontakt.
materiału [7]. Elektryzacja (elektryzowanie) jest to
Zjawiska te są trudne do kontroli nawet w warunkach
zjawisko fizyczne, polegające na wytworzeniu w
laboratoryjnych. W trakcie wykonywania elektryzacji
materiale, początkowo elektrycznie obojętnym, nadmiaru
przez kontakt, powierzchnia materiału pocieranego jest
jednoimiennych ładunków indukowanych. Występuje
elektryzowana wskutek tarcia innym materiałem [1].
zwykle w warunkach zetknięcia czy zbliżenia i
Obejmuje ona grupę złożonych zagadnień nie do końca
następującego po nim rozdzielenia dwóch nie
wyjaśnionych związanych z występowaniem zjawisk
naelektryzowanych materiałów, przy czym mogą to być:
granicznych między dwoma materiałami, które są trudne
materiały stały, materiał stały i ciecz, materiał stały i gaz,
do kontroli nawet w warunkach eksperymentalnych. W
ciecz i gaz bądź ciecze. Elektryzacja może być doraźna
zrozumieniu efektów elektryzacji przez kontakt istotna
(okresowa) lub ciągła.
jest znajomość składu chemicznego materiału i struktury
powierzchni styku. Cząsteczki w materiale są układami
Elektryzacja materiałów, występująca w mniejszym lub
statycznymi. Ładunek na materiale po elektryzacji przez
większym stopniu z udziałem wszystkich materiałów
kontakt i związane z nim pole elektryczne wywołuje w
stałych. Widoczna jest szczególnie w materiałach
wielu przypadkach efekt elektretowy na materiałach [1].
nieprzewodzących,
w
których
ujawniony
czy
Rzeczywiste powierzchnie są zwykle szorstkie i taka
zgromadzony ładunek może stosunkowo długo
elektryzacja jest wzmagana, jeżeli kontakt i rozdzielanie
oddziaływać na otoczenie. Towarzyszy jej zawsze
wywoływane tarciem i/lub naciskiem, od obszaru
powstanie w otoczeniu ładunków o przeciwnym znaku,
prawdziwego kontaktu, jest powiększany przez te
takiego samego co do wartości bezwzględnej. Ładunki
działania [14]. W prezentowanym artykule autor skupia
wytwarzają wokół siebie pole elektryczne o natężeniu
się na roli asymetrycznego tarcia w trakcie elektryzacji
tym większym, im większa jest ich wartość. Umieszczenie
przez kontakt pomiędzy tkaniną a materiałem o
w polu elektrycznym materiału wytworzy w strukturze
zróżnicowanej budowie cząsteczek. W trakcie elektryzacji
atomowej nadmiaru cząstek jednego znaku i materiał jest
przez kontakt szczególnie ważne są przenikalności
naelektryzowany. W XX wieku rozwinęła się wiedza na
elektryczne materiałów stykających się ze sobą. W
temat właściwości elektrostatycznych materiałów [4].
określonych rozdziałach norm (załącznik: D w PN EN
Badanie elektryzacji stosuje się do materiałów
13463-1: [12] jak również [pkt. 26.14 wg PN EN 60079-0
nieprzewodzących (o rezystancji powierzchniowej i/lub
[13]) elektryzacja przez kontakt materiałów jest opisana
9
skrośnej przekraczającej wartość 1,0 x 10 Ω).
dla dwóch rodzajów tkanin pocierających wywołujących
Wykorzystywanie materiałów nieprzewodzących w
ten rodzaj elektryzacji (rys. 16). Do ręcznego pocierania
procesach przemysłowych jest często spotykane i
materiału używa się tkaniny bawełnianej lub tkaniny
powinno być uwzględniane przy ocenie zagrożeń od
poliamidowej (czynnik wywołujący elektryzację).
elektryczności statycznej [8]. W dowolnym materiale
Konsekwencją kontaktu (tarcia) a następnie rozdzielenia
nieprzewodzącym naelektryzowanie bywa spontaniczne i
dwóch materiałów niezależnie od ich przewodności
zróżnicowane [5]. Występowanie szkodliwych objawów
elektrycznej jest gromadzenie ładunków elektryczneych.
elektryzacji materiałów łączy się zwykle z tzw.
Elektryzacja przez kontakt materiał elektryzowany (rys.
elektryzacją przez kontakt.
17), jest materiałem o elektrostatycznych właściwościach
nieprzewodzącym.
Wielkość
i
znak
ładunku
Mówi ono, że siła elektryczna Fe pomiędzy dwoma
ładunkami q1 i q2 jest proporcjonalna do iloczynu tych
ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu
odległości. Coulomb wyjaśnił prawo przyciągania i
odpychania między ładunkami elektrycznymi tych
samych i przeciwnych znaków. Dokonał podziału
materiałów na przewodniki i dielektryki. Jednym z
wniosków z badań było stwierdzenie, że nie ma idealnych
dielektryków i każdy ma ograniczoną wartość rezystancji.
elektrycznego,
wytworzonego
na
materiale
elektryzowanym, zależy między innymi od ich budowy
chemicznej, składu (głównie rodzaju i ilości zawartych w
nich domieszek strukturalnych), własności fizycznych
materiałów będących w kontakcie [14]. Tarcie
występujące
zazwyczaj
między
powierzchniami
elektryzowanymi wzajemnie materiałów wpływa na
zwiększenie ilości punktów styku, co jest równoznaczne z
lepszym przyleganiem powierzchni i w rezultacie
prowadzi do wzrostu stopnia ich naelektryzowania.
Wielkość ładunku elektrycznego powstającego w
określonych warunkach kontaktu dwóch materiałów jest
stała. Ustalono, że naelektryzowanie dwóch materiałów
jest na ogół wprost proporcjonalne do różnicy ich
stałych elektrycznych.
pocieranym. Skutkiem elektryzacji przez kontakt
zachodzącego między tkaniną i materiałem jest
naelektryzowanie materiałów (rys. 18). Bogactwo i
różnorodność materiałów utrudnia stawianie jednej tezy
o przyczynach i zdolności do naelektryzowania
(„chargeability”).
Następstwem
wzajemnego
oddziaływania molekularnego powierzchni tkaniny
pocierającej podczas wymuszonego przemieszczania się
po powierzchni jest naelektryzowanie materiału. W
miejscu stykania się i rozdzielania tkaniny pocierającej z
powierzchnią zewnętrzną pocieranego materiału
następuje wytwarzanie podwójnych warstw elektrycznych
[8]. Nawet jednokrotne zetknięcie ze sobą dwu różnych
materiałów powoduje powstawanie jednoimiennych
ładunków elektrycznych o przeciwnej polaryzacji na ich
powierzchniach. Zanik styku między tkaniną i materiałem
wywołuje
separację
różnoimiennych
ładunków
elektrycznych w wyniku, czego obydwa materiały są
naelektryzowane.
4.3 Elektroskop
Rys. 16: Zestaw elementów niezbędnych do
wykonywania elektryzacji przez kontakt.
W metodologii elektryzacji przez kontakt, powierzchnia
stacjonarnego materiału jest asymetrycznie pocierana
tkaniną (rys. 17). Ręczne pocieranie jest przykładem
tarcia suchego występującego między powierzchniami
tkaniny pocierającej i materiału. Ręczne pocieranie
tkaniną powierzchni materiału, jest to tarcie posuwiste, w
którym ruch ten wymaga działania quasi stałej siły.
Po elektryzacji przez kontakt materiał jest
naelektryzowany.
Polaryzacja
materiału
jest
spowodowana przez orientację dipoli istniejących w jego
wnętrzu. Wielkością charakteryzującą naelektryzowanie
materiału jest moment dipolowy. Wypadkowy moment
dipolowy naelektryzowanego materiału jest różny od
zera. Polaryzacja może być różna w różnych miejscach
materiału, jeśli niejednorodne jest pole lub struktura
atomowa
materiału.
W
przestrzeni
nad
naelektryzowanym materiałem jest wytwarzane pole
elektryczne (rys. 20). Naelektryzowany materiał położony
na uziemionej płycie metalowej przedstawiono na rys.18.
Rys. 18: Niejednorodne pole elektryczne prostopadłe do
powierzchni naelektryzowanego
niejednorodnego
materiału.
Rys. 17: Elektryzacja przez kontakt.
Powierzchni naelektryzowanego materiału przypisuje się
ładunki indukowane o gęstości powierzchniowej σ. Linie
pola elektrycznego nad naelektryzowanym materiałem
(rys. 20) są to abstrakcyjne linie, które w każdym punkcie
pola są styczne do siły działającej w tym polu.
Elektryzacja przez kontakt (rys. 17) zachodzi w miejscu
„elementarnej strefy oddziaływania tarciowego” [1].
Naelektryzowanie w układzie dwóch materiałów nie
zależy od tego, który z materiałów jest trącym, a który
Pole
elektryczne
to
otoczenie
każdego
naelektryzowanego
materiału.
Każdy
ładunek
indukowany Q jest źródłem pola elektrycznego
działającego na inne ładunki, ale sam też podlega
działaniu pól wytworzonych przez inne ładunki. Za
pośrednictwem pola elektrycznego możliwe jest
oddziaływanie między naelektryzowanymi materiałami
nieprzewodzącym
elementem
przewodzącym
oddalonymi od siebie, czyli oddziaływanie na odległość
[14].
Do wykrywania obecności ładunku na naelektryzowanym
materiale ładunku elektrycznego służy elektroskop. W
zasadzie działania elektroskopu wykorzystywane jest
zjawisko odpychania się jednoimiennych ładunków
indukowanych (rys. 21)
Rys. 19: Sprawdzenie elektroskopem
naelektryzowania materiału.
4.4 Polaryzacja wybranych materiałów wskutek
elektryzacji przez kontakt:
- Bursztyn potarty tkaniną jedwabną elektryzuje się
ujemnie.
- Laska ebonitowa potarta tkaniną wełnianą elektryzuje
się ujemnie.
- Laska szklana potarta tkaniną jedwabną elektryzuje się
dodatnio.
5.
Przykład zagrożenia
statycznej
od
elektryczności
Rozprzestrzeniające wyładowania snopiaste jest to
wysoko energetyczny typ iskrowego ESD, które może
wystąpić
z
naelektryzowanego
materiału
nieprzewodzącego, położonego na uziemionej płycie
metalowej. Charakteryzuje się dużą liczbą kanałów
rozładowania naelektryzowanej powierzchni w kontakcie
z uziemionym elementem metalowym. rys. 20.
listkowym
Elementami składowymi elektroskopu listkowego ( rys.
19) są:
- uziemiona metalowa osłona z dwóch stron zamknięta
szybkami,
- pionowo przez osłonę przechodzi, odizolowany od niej
metalowy pręt zakończony kulką metalową,
- na końcu pręta są przymocowane przegubowo dwa
prostokątne listki z cienkiej i lekkiej folii przewodzącej
prąd.
Przy zetknięciu kulki metalowej z naelektryzowanym
materiałem część ładunku przepływa z tego materiału do
elektroskopu, i listki folii odpychają. Wielkość odchylenia
listków zależy od zgromadzonego na nich ładunku
przenoszonego.
Rys. 20: Rozprzestrzeniające wyładowanie snopiaste
wskutek miejscowego rozładowania naelektryzowanej
próbki materiału o długości 295 mm i szerokości 240
mm.
Wyładowanie
zbiera
większość
ładunku
z
naelektryzowanego materiału w postaci kanałów do
miejsca, gdzie ma miejsce dotknięcie [8].
Wąż elastyczny z wbudowaną spiralą metalową [10] jest
często używany do pneumatycznego transportu pyłu.
Pneumatyczny transportu pyłu jest przykładem ciągłej
elektryzacji przez kontakt
nieprzewodzącej węża.
wewnętrznej
powłoki
zdolności do naelektryzowania („chargeability”) w
warunkach odwzorowujących użytkowanie, w celu
ustalenia zasad bezpiecznego użytkowania. Badania takie
umożliwiają uzyskanie odpowiedzi na pytanie:
Czy naelektryzowany materiał mógłby stwarzać
zagrożenie od elektryczności statycznej w warunkach
użytkowania?
Rys. 21: Rozprzestrzeniające wyładowanie snopiaste
między uziemionymi metalowymi krążkami spirali
wypełniającymi materiał niemetalowy [10 str. 253
wycinek zdjęcia] .
Ciągła
elektryzacja
przez
kontakt
wskutek
pneumatycznego transportu pyłu palnego przez wąż
elastyczny powoduje naelektryzowanie nieprzewodzącej
warstwy. Miejscowe rozładowanie naelektryzowanej
powłoki wewnętrznej może prowadzić do wytworzenia
między
uziemionymi
spiralami
metalowymi
rozprzestrzeniającego wyładowania snopiastego rys. 21.
Na rys. 21 przedstawiony jest przypadek ciągłej
elektryzacji przez kontakt wewnętrznej ścianki węża
wskutek transportu pyłu przez wąż. W celu
wyeliminowania zagrożeń od elektryczności statycznej
wąż z powłokami nieprzewodzącymi i z wbudowaną
spiralą metalową nie powinien być używany do
transportu pneumatycznego palnych pyłów. Bowiem na
wewnętrznej ściance trakcie ciągłej elektryzacji przez
kontakt może wytworzyć się rozprzestrzeniające
wyładowanie snopiaste i zapalić pyłową atmosferę
wybuchową. W praktyce oznacza to, że elastyczne węże
ze spiralą metalową w celu wykluczenia wystąpienia
zagrożenia wybuchem od elektryczności statycznej
używane do transportu pneumatycznego pyłu palnego
powinny być wykonane z materiału rozpraszającego lub
przewodzącego.
Zarówno na etapie projektowania i jak również w trakcie
eksploatacji muszą być oparte na optymalizacji systemów
kontroli i eliminacji zagrożeń [11]. Ze względu na to, że
dużo cech wpływa na niepewność pomiaru w tym
ograniczona percepcja człowieka, do oceny poziomu
zagrożeń od elektryczności statycznej powinna być
stosowana analiza ryzyka np. analiza drzewa błędów
FTA. Dla oceny zagrożeń od elektryczności statycznej
mogącej wystąpić w systemach technologicznych
korzystne byłoby zastosowanie logiki probabilistycznej.
Przed wprowadzeniem wyrobu niemetalowego do
eksploatacji powinny być przeprowadzona ocena
Jednocześnie użytkownik powinien mieć zapewniony
system bieżącej kontroli właściwości elektrostatycznych
wyrobu niemetalowego dla zapewnienia bezpieczeństwa.
Każda instalacja wyposażona w elastyczny wąż ze spiralą
metalową powinna być rozpatrywana indywidualnie i
każdorazowo w trakcie rozładowywania elektryzowanego
węża należy wyznaczyć wartość ładunku przenoszonego.
5 Wnioski
Na podstawie przedstawionych w niniejszym artykule
zagrożeń od elektryczności statycznej oraz elektryzacji
przez kontakt materiału, można stwierdzić, że
1. Tradycyjnie, dla uniknięcia zagrożenia i problemów
wywołanych elektrycznością statyczną, właściwości
elektrostatyczne
materiałów
niemetalowych
określane są na podstawie pomiaru parametrów
rezystancyjnych.
2. W większości standardów europejskich do określania
właściwości
elektrostatycznych
elementów
niemetalowych
stosowane
jest
kryterium
rezystancyjne. Znajomość wartości rezystancji
powierzchniowej elementów niemetalowych, w
dokumentacji powinny być
umieszczone
jednoznacznie sformułowane warunki użytkowania.
[13].
3. Bogactwo i różnorodność struktury atomowej
materiałów utrudnia stawianie jednej tezy o
przyczynach naelektryzowania. Koncepcyjnie jest to
trudne do interpretacji, ponieważ niewiele wiadomo
na temat tej struktury.
4.
Naelektryzowanie materiału nieprzewodzącego
objawia pojawieniem się na nim jednoimiennych
ładunków elektrycznych.
5. Poziom ładunku i jego rozkłady na makroskopowej
powierzchni naelektryzowanego materiału nasuwa
obawy, że w systemach technologicznych nie da się
wykluczyć wystąpienia iskrowych ESD. W związku z
tym należałoby podjąć próbę
odpowiedzi na
pytanie: Czy można skutecznie zapobiegać
zagrożeniom od elektryczności statycznej, jeżeli nie
da się wykluczyć występowania iskrowego ESD?
6. Aby uniknąć zagrożeń od elektryczności statycznej, już
na etapie projektowania systemów technologicznych
wyposażonyh w elementy niemetalowe, należy
zalecać wykonywanie bieżących badań kontrolnych
parametrów
charakteryzujących
właściwości
elektrostatyczne tych elementów [3].
7. W Stanach Zjednoczonych i krajach europejskich,
stosowanie norm jest dobrowolne, chyba że zostały
one uznane jako obowiązkowe przez przepisy takie
jak dyrektywy UE [11]. Jednak spełnienie wymagań
określonych norm przez wyrób może być zapisane w
kontraktach przy zawieraniu umów między
użytkownikiem i dostawcą. W niektórych krajach,
stosowanie norm może być obowiązkowe. Jednak
zawsze jest dopuszczony jakiś przedział swobody w
zakresie stosowania norm pozwalający na uzyskanie
założonego poziomu bezpieczeństwa, który ma być
zapewniony w trakcie użytkowania.
8. Zasadnicze pytanie do wyjaśnienia w elektrostatyce:
Czy na naelektryzowanym materiale, ładunki indukowane
są wytworzone wskutek przeniesienia elektronów, jonów
lub obu [3]?
6. Literatura
[1] V. Babrauskas, Ph.D. “Ignition hadbook” Fire
Science Publishers 2003.
[2] A. G. Bailey: “The charging of insulator surfaces”
Journal of Electrostatics Volumes 51–52, May 2001,
Pages 82–90 Electrostatics 2001: 9th International
Conference on Electrostatics.
[3] I. Berta: „Static control” Journal of Electrostatics,
Volume 63, Issues 6–10, June 2005, Pages 679-685.
[4] G. S. P. Castle: “Contact Charging Between
Insulators” Journal of Electrostatics 40&41 (1997)
pages 13-20.
[6] J. N. Chubb: “Comments on methods for
charge decay measurement” Journal of
Electrostatics Volume 62, Issue 1, September
2004, Pages 73–80.
[7] K.
Cybulski,
B.
Wiechuła:
„Elektryzacja
nieprzewodzącego
materiału
niemetalowego
przeznaczonego do eksploatacji w atmosferze
potencjalnie wybuchowej” kwartalnik GIG 3/2010
str. 15…29.
[8] K. Cybulski, B. Wiechuła: „Elektryzacja jako źródło
zagrożenia” kwartalnik GIG 3/2011 str. 5…25.
[9] P. Iversen, D. J. Lacks: “A life of its own: The
tenuous connection between Thales of Miletus and
the study of electrostatic charging” Journal of
Electrostatics, Volume 70, Issue 3, June 2012, Pages
309-311.
[10] I. D. Pavey: “Propagating brush discharges in
flexible hoses” Journal of Electrostatics Volume 67,
Issues 2–3, May 2009, Pages 251–255, 11th
International Conference on Electrostatics.
[11] U. von Pidoll: “An overview of standards
concerning unwanted electrostatic discharges”
Journal of Electrostatics, Volume 67, Issues 2–3,
May 2009, Pages 445–452 11th International
Conference on Electrostatics.
[12] PN EN 13463-1: 2010 „Urządzenia nieelektryczne
w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Część 1:
Podstawowe założenia i wymagania”.
[13] PN EN 60079-0: 2009 „Atmosfery wybuchowe -Część 0: Sprzęt -- Podstawowe wymagania”.
[14] B. M. Wiechuła: „Elektryzowanie materiałów
niemetalowych użytkowanych w podziemnych
wyrobiskach górniczych zagrożonych wybuchem
metanu i/lub pyłu węglowego” Wiadomości
Górnicze 3/2013 str. 146-155.
[5] J. N. Chubb: “A Standard proposed for assessing
the electrostatic suitability of materials” Journal of
Electrostatics, Volume 65, Issue 9, August 2007,
Pages 607-610.
7. Wykaz norm w zakresie ochrony przed
elektrycznością statyczną:
A.
Metody pomiarowe:
IEC 60079-32-2: 2012 Ed. 1.0: Explosive Atmospheres
– Part 32-2 “Electrostatics hazards – Tests”
PN-EN 13463-1: 2010 „Urządzenia nieelektryczne w
przestrzeniach zagrożonych wybuchem – Część 1:
Podstawowe założenia i wymagania” pkt. 8.5.8
pomiar rezystancji powierzchniowej, załącznik D
badanie elektryzacji – norma zharmonizowana z
dyrektywą ATEX
PN-EN 60079-0: 2011 „Atmosfery wybuchowe Część 0:
Sprzęt Podstawowe Wymagania pkt. 26.13 pomiar
rezystancji powierzchniowej, pkt 26.14 badanie
elektryzacji” norma zharmonizowana z dyrektywą
ATEX
PN-EN 61340-2-3: 2002 „Elektryczność statyczna Część
2-3: Metody badań stosowane do wyznaczania
rezystancji i rezystywności płaskich materiałów
stałych Używanych do zapobiegania gromadzeniu
się ładunku elektrostatycznego”
PN-EN 1149-1: 2008 „Odzież ochronna właściwości
elektrostatyczne Część 1: Metoda badania
rezystywności powierzchniowej”
PN-EN 1149-2: 1999 „Odzież ochronna właściwości
elektrostatyczne Metoda badania rezystancji
skrośnej”
PN-EN ISO 284: „Taśmy przenośnikowe Przewodność
elektryczna Wymagania i metoda badania”
PN-EN 20344: 2007 „Środki ochrony indywidualnej
Metody badań obuwia pkt. 5.10 Wyznaczanie
rezystancji elektrycznej „
PN-EN ISO 8031: 2010 “Węże przewody z gumy i z
tworzyw sztucznych – Oznaczanie właściwości
elektrycznych”
PN-EN 61340 4-1: 2006 “Elektryczność statyczna Część
4-1: Znormalizowane metody badań do określonych
zastosowań Rezystancja elektryczna wykładzin
podłogowych i gotowych podłóg”
CLC TR 50404: 2003 „Electrostatics – Code of practice
for the avoidance of hazards due to static
electricity”
Podstawowe założenia i wymagania” załącznik D:
Badania elektryzacji materiałów nieprzewodzących”
– norma zharmonizowana
PN-EN 60079-0: 2009 „Atmosfery wybuchowe Część 0:
Sprzęt Podstawowe Wymagania pkt. 26.13 pkt. 26.14
Badanie elektryzacji” norma zharmonizowana z
dyrektywą ATEX
IEC 61340-4-4: 2010 Ed 2.0 “Electrostatics – Part 4-4
Standard test methods for specific applications –
Electrostatic classification of flexible intermediate
bulk containers (FIBC)”
B. Kryteria oceny:
IEC/TR 61340-1: 2012 “Electrostatics – Part 1:
Electrostatics phenomena – Principles and
measurements
IEC 61340-1-2: 2006 Ed 1 Electrostatics – Part 1-2:
Definitions of All parts of the electrostatics-series
61340-x-y
CLC TR 50404: 2003 „Electrostatics – Code of practice
for the avoidance of hazards due to static
electricity”
IEC 60079-32-1: 2012 Ed. 1.0: Explosive Atmospheres
– Part 32-1 “Electrostatics hazards, Guidance”
PN-EN 1149-5: 2009 „Odzież ochronna Właściwości
elektrostatyczne Część 5: Wymagania materiałowe i
konstrukcyjne”
Obuwie bezpieczne”
Obuwie ochronne”
Obuwie zawodowe”
PN-EN 397: 1996 + A1: 2002 „Przemysłowe hełmy
ochronne”
PN-EN 340: 2006 „Odzież ochronna Wymagania
ogólne”
Informacje dodatkowe o autorze.
PN-EN 14973: 2007 „Taśmy przenośnikowe stosowane
w
wyrobiskach
podziemnych
Wymagania
bezpieczeństwa elektrycznego i pożarowego” norma
zharmonizowana”
Pracownik Głównego Instytutu Górnictwa, Kopalni
Doświadczalnej „Barbara” w Mikołowie,
PN-EN 1710: 2006 „Sprzęt i komponenty w atmosferach
potencjalnie wybuchowych w podziemnych
wyrobiskach górniczych” norma zharmonizowana
Telefon kontaktowy: (32) 32 46 563.
PN-EN ISO 284: „Taśmy przenośnikowe Przewodność
elektryczna Wymagania i metoda badania” – kryteria
oceny
Adres e-mail: [email protected]
www.kdbex.eu
* K O N I E C *
PN-EN ISO 8031: 2010 “Węże I przewody z gumy I z
tworzyw sztucznych – Oznaczanie właściwości
elektrycznych” kryteria oceny
Ochrona
za
pomocą
bezpieczeństwa
konstrukcyjnego „c”” – norma zharmonizowana z
dyrektywą Atex

Pobierz artykuł - epsilon-x

Transkrypt

Podobne dokumenty

DPD Dodatkowe zalecenia - elektronika i sprzęt RTV AGD

Rysunek architektoniczno

Obróbka materiałów dla przemysłu lotniczego NOWOCZESNE NARZĘDZIA Gu