1
1. ELEKTRYCZNOŚĆ
STATYCZNA
W
TECHNOLOGII
W technice i przyrodzie obserwuje się powstawanie ładunków elektrycznych
w trakcie różnych czynności i procesów fizykochemicznych, jak np. przy tarciu,
rozdrabnianiu, rozpylaniu, rozdzielaniu materiałów stałych, cieczy i gazów.
Zjawiska te są znane od dawna i po raz pierwszy zostały opisane w VII wieku
p.n.e. przez greckiego filozofa Talesa z Miletu, który zaobserwował je przy
pocieraniu bursztynu tkaniną wełnianą. Od greckiej nazwy bursztynu „elektron"
pochodzi całe nazewnictwo zjawisk elektrotechniki. W wieku XVII i XVIII
zjawisko powstawania ładunków elektrycznych podczas tarcia zostało dokładniej
zbadane, by stać się początkiem nauki o nieruchomych ładunkach h elektrycznych
i związanych z nimi zjawiskach[2].
Poznanie budowy atomu umożliwiło lepsze rozeznanie w przyrodzie
powstawania ładunków elektrostatycznych, a rozwój techniki doprowadził do
konieczności dokładniejszego badania i analizy zjawisk związanych z ich
powstawaniem i występowaniem.
Elektrostatyka jest nauką o własnościach niezmiennych w czasie pól
elektrycznych oraz wywołujących je ładunkach elektrycznych. Ściślej pole
elektrostatyczne istnieje tylko w sensie makroskopowym, ponieważ cząstki
elementarne wchodzące w skład atomów są w nieustannym ruchu. Tylko w sensie
makroskopowym można mówić o stanie spoczynku ładunków[1].
Jednostką ładunku elektrycznego w Międzynarodowym Układzie Jednostek
Miar (SI) jest kulomb (C). Kulomb jest ładunkiem elektrycznym przepływającym
w czasie l s (l sekundy) przez przewodnik, gdy prąd elektryczny płynący przez ten
przewodnik wynosi l A (amper); lC =lA·ls =6,25-10
18
e (ładunków elementarnych).
Jeżeli prąd jest zmienny, to ładunek Q, który przepłynął w czasie od chwili
początkowej do chwili t, oblicza się ze wzoru:
t
0
Idt
Q
1.1. ŁADUNKI
ELEKTROSTATYCZNE
Ładunki elektryczności statycznej są to ładunki powstające w wyniku styku,
a następnie rozdzielenia lub wzajemnego przesunięcia zetkniętych ze sobą, ciał itp.
procesów związanych ze zmianę, wzajemnego położenia cząsteczek ciał stałych,
cieczy i gazów. Ładunki elektrostatyczne tworzę, się również przy zmianie stanu
skupienia oraz na skutek indukcji[2].
Powstawanie ładunków statycznych na określonym urządzeniu w procesie
produkcyjnym, prowadzi zazwyczaj do gromadzenia się na nim coraz większego
ładunku a w wyniku tego, do przekroczenia wytrzymałości elektrycznej
otaczającego powietrza i powstania wyładowania iskrowego. Jest oczywiste,
że energia elektryczna wyzwalająca się w postaci iskry różni się w owej chwili
bardzo od „statycznej”, jednak, z punktu widzenia pochodzenia ładunku, iskry
takie również są nazywane elektrostatycznymi[3].
2
W rzeczywistości ładunki te nie są, nieruchome, lecz jedynie umiejscowione,
tzn. ich położenie jest znane lub może być określone[2].
Jeżeli ciału naładowanemu dodatnio będziemy dostarczać ładunek ujemny, to stopień
jego naelektryzowania (siły wzajemnego oddziaływania naładowanych ciał) będzie
się zmniejszał dotąd, aż ciało to się stanie elektrycznie obojętne, po czym ono z kolei,
zacznie się ładować ujemnie. Wynika stąd, że ładunki różnoimienne wzajemnie się
znoszą. Prowadzi to do wniosku, że w ciałach elektrycznie naładowanych, wartości
ładunków obydwu znaków są jednakowe, co tłumaczy brak oddziaływania tych
ładunków na zewnątrz. Ciało mające na przykład nadmiar ładunków ujemnych,
naładowane jest ujemnie[3].
W wyniku elektryzacji ciał przez tarcie ładują się obydwa ciała, przy czym
jedno z nich ładuje się zawsze dodatnio, a drugie – ujemnie. W ten sposób
dochodzimy do wniosku, że ładunki przenoszone z jednego ciała nie pojawiają
się i nie znikają samoczynnie, lecz że mogą być przenoszone z jednego ciała
na drugie lub przemieszczać się w obrębie tego samego ciała.
PRZYKŁAD 1.
Człowiek w obuwiu nieprzewodzęcym chodzi po podłodze lub dywanie z materiału
izolacyjnego. Po przejściu zaledwie kilku kroków można stwierdzić naładowanie
się człowieka i podłoża (rys.1). Izolacyjność podłoża uniemożliwia w tym
przypadku szybki spływ ładunków do ziemi.
PRZYKŁAD 2.
Folia izolacyjna lub papier są, odwijane z bębna. Obserwuje się naładowanie
zarówno bębna jak i odwijanej taśmy (rys.2). Zjawisko to występuje powszechnie
w przemyśle papierniczym, w przemyśle tworzyw sztucznych, drukarstwie itp.
Rys. 1. Elektrostatyczne ładowanie się człowieka w obuwiu nieprzewodzęcym
podczas chodzenia po wykładzinie z materiału nieprzewodzącego [2]
Rys. 2. Ładowanie się odwijanej z bębna taśmy izolacyjnej [2]
Podobne zjawisko można zaobserwować w życiu codziennym przy
zdejmowaniu odzieży, szczególnie jeżeli jest wykonana ona z tworzyw sztucznych.
3
2.2. INDUKCJA
ELEKTROSTATYCZNA
Jeżeli do odizolowanego przewodnika B zbliżymy naładowane ciało A (rys.3),
to na przewodniku B pojawią się ładunki: na stronie zwróconej do przewodnika A -
ładunek przeciwny, a na stronie oddalonej- ładunek zgodny ze znakiem ładunku ciała
A[3].
Przy oddalaniu ciała A ładunek się zmniejsza. Jeżeli, natomiast, przed
oddalaniem naładowanego ciała A rozdzielimy obie części przewodnika B, to na
każdej z nich pozostanie taki sam ładunek również po usunięciu ciała A.
Rys.3. Elektryzowanie przez indukcję [3]
W warunkach przemysłowych ładunki indukcyjne mogą powstawać
na odizolowanych, na przykład przez smary, metalowych częściach maszyn lub na
osobach przebywających w pobliżu naelektryzowanych materiałów. Zjawisko
to jest szczególnie niebezpieczne, gdy w pomieszczeniu produkcyjnym, w pobliżu
takich miejsc, znajdują się materiały palne lub wybuchowe, lub gdy wytwarzają
się mieszaniny wybuchowe par i pyłów z powietrzem.
2.3. POLE
ELEKTROSTATYCZNE
Wokół ładunków elektrycznych istnieje zawsze pole elektryczne. Jeżeli ładunki
są w spoczynku, to pole elektryczne nazywa się polem elektrostatycznym. [1]
Pole
elektrostatyczne
-
pole
elektryczne,
wytworzone
przez
ładunek
elektrostatyczny; stan energetyczny przestrzeni wokół ładunku elektrostatycznego,
w której ładunek ten ma zgromadzoną energię potencjalną i działa z określoną
siłą na inne ładunki[5].
Ładunki elektryczne można podzielić na ładunki swobodne i ładunki związane.
Ładunki swobodne pod działaniem pola elektrycznego mogę się poruszać
w środowisku, w którym się znajduję. Ładunki związane wchodzę w skład
obojętnych cząsteczek dielektryków lub też są umiejscowione w dielektryku.
Położenie ładunków związanych jest wynikiem działania sił wewnętrznych
występujących w atomach lub cząsteczkach. Wskutek działania pola elektrycznego
ładunki związane mogę się obracać lub przesuwać na niewielkie odległości[2].
4
Ładunki elektryczne mogę być rozmieszczone w różny sposób. Stąd wyróżnia się:
ładunki punktowe; ładunek taki będzie oznaczony przez q;
ładunki liniowe, rozmieszczone w przybliżeniu jeden obok drugiego.
Można określić tzw. gęstość liniową ładunków:
Δl
Δq
τ
przy czym Δq — ilość ładunku rozmieszczona na długości Δl
Jednostką gęstości liniowej ładunku jest kulomb na metr (l C·m
-1
).
ładunki powierzchniowe. Można określić gęstość powierzchniową ładunków:
ΔS
Δq
σ
przy czym: ΔS— pole powierzchni elementarnej dielektryka, m
2
.
Jednostką gęstości powierzchniowej ładunku jest kulomb na metr
kwadratowy (l C·m
-2
).
ładunki przestrzenne. Można określić gęstość objętościową ładunków:
V
q
przy czym: ΔV— objętość elementarna. Jednostką gęstości objętościowej
ładunku jest kulomb na metr sześcienny (l C·m
-3
).
Miarą wielkości pola elektrostatycznego jest jego natężenie[1]. Natężeniem
pola elektrostatycznego nazywa się granicę stosunku siły
F
działającej na ładunek
próbny do wartości tego ładunku:
q
F
lim
E
o
q
Δq
ΔF
E
przy czym:
ΔF —-siła działająca na ładunek próbny Δq, N,
Δq — punktowy ładunek próbny , C.
Jednostką natężenia pola jest wolt na metr (l Vm
-1
). Natężenie pola
elektrycznego jest wielkością wektorową, ponieważ siła ΔF jest wielkością
wektorową. Zwrot wektora natężenia pola przyjmuje się za dodatni dla
dodatniego ładunku próbnego Δq.
A zatem natężenie poła elektrostatycznego ładunku punktowego, zgodnie z
prawem Coulomba określa wzór
5
2
0
4
r
Q
E
r
Siła
F
jak i natężenie pola
E
są wielkościami wektorowymi. Jeżeli pole
elektrostatyczne wytworzone jest przez kilka ładunków punktowych, to wypadkowe
natężenie pola
E
w dowolnym punkcie jest równe sumie geometrycznej wektorów
natężenia pola pochodzących od poszczególnych ładunków:
n
E
E
E
E
2
1
Linie po których polu elektrycznym porusza się niewielki ładunek elektryczny,
są nazywane liniami sił pola elektrycznego albo też krócej – liniami sił lub liniami
pola. Przez każdy punkt przechodzi tylko jedna linia pola, a styczna do niej
wyznacza kierunek wektora natężenia pola w tym punkcie[3].
Kierunek, natężenie i kształt linii pola elektrostatycznego zależą od znaku, ilości
i rozmieszczenia ładunków elektrycznych oraz od wymiarów geometrycznych
elektrycznych właściwości środowiska, w którym pole występuje[2].
Rys.4. Linie sił pola elektrycznego [3]
6
Za kierunek wektora natężenia pola przyjmuje się kierunek od ładunku
dodatniego do ujemnego rysunku 4a) na którym zaznaczono linie sił wychodzące
z punktowego ładunku dodatniego, wynika, że obejmują one powierzchnię kuli
równą 4πr
2
. Zarówno gęstość linii sił, jak i natężenia pola, zmniejszają się ze
wzrostem odległości od ładunku, zgodnie ze wzorem:
2
0
4
r
Q
q
F
E
r
gdzie:
0
-przenikalność elektryczna bezwzględnej próżni lub stała dielektryczna, która
wynosi 8,85910
-12
AsV
-1
m
-1
,
r
-przenikalność elektryczna
względem środowiska, jest to wartość
bezwymiarowa.
r - odległość między ładunkami, m
Gęstość linii sił pola elektrycznego określa zatem wartość natężenia pola.
Rozkład linii sił pola wytwarzanego przez kilka ładunków, gęstość tych linii oraz
kierunek w przestrzeni uzyskuje się sumując wektory natężenia pól pochodzących
od poszczególnych ładunków.
W polu elektrostatycznym obowiązuje zasada superpozycji, tzn. w polu
utworzonym przez pewną, liczbę ładunków różnie rozmieszczonych natężenie pola,
w dowolnym punkcie jest równe sumie natężeń pochodzących od każdego
poszczególnych rozpatrywanych ładunków[2].
3. TEORIA
POWSTAWANIA
ŁADUNKÓW
ELEKTROSTA-
TYCZNYCH
3.1. POWSTAWANIE
ŁADUNKÓW
ELEKTROSTATYCZNYCH
W WYNIKU
STYKU
LUB
TARCIA
Przyczyną powstawania ładunków mogą być:
procesy mechaniczne,
zmiany stanu skupienia,
zjawiska cieplne,
procesy elektrochemiczne,
jonizacja,
indukcja elektryczna.
Spośród wymienionych przyczyn powstawania ładunków największe
praktyczne znaczenie mają procesy mechaniczne takie jak tarcie, rozdzielanie,
rozdrabnianie, rozbryzgiwanie itp., będące główną przyczyną powstawania zjawisk
elektrostatycznych przemyśle i technice[2].
Elektryzowaniem stykowym, czyli kontaktowym, nazywa się powstawanie
ładunków elektrostatycznych na granicy dwóch stykających się ciał lub mediów[2].
7
Na powierzchni styku dwóch różnych materiałów, zwłaszcza w miejscach, gdzie
odległości pomiędzy stykającymi się obiektami są porównywalne z odległościami
międzyatomowymi czy międzycząsteczkowymi, przemieszczają się elektrony,
elektrony i jony, lub jony. Ta swoista migracja ładunków przez granice styku
występuje praktycznie przy każdej konfiguracji właściwości stykających
się materiałów. Istnieje więc na granicy styku różnych metali, metali
i półprzewodników,
półprzewodników
dielektryków
oraz
dielektryków
i dielektryków. Rezultatem owej migracji ładunku jest tworzenie się podwójnej
warstwy elektrycznej. Mechaniczny rozdział stykających się materiałów powoduje,
że w każdym z nich, na skutek rozerwania warstwy podwójnej, zostaje zachwiana
równowaga ładunków elementarnych dodatnich materiałów ujemnych, czego
konsekwencją jest naładowanie się każdej części materiałów ładunkiem innego
znaku[4].
Zjawisko ładowania przez styk staje się intensywniejsze w przypadku
jednoczesnego styku i wzajemnego pocierania materiałów. Wpływ pocierania
na znacznie zwiększoną wartość przemieszczającego się ładunku objaśnia
się zwiększeniem powierzchni styku i lokalnym wzrostem temperatury ciała, a tym
samym wzrostem ruchliwości elektronów i/lub jonów.
Tabela1. Znak ładunku przy tarciu dwóch ciał [2]
Ładowanie przez tarcie występuje zarówno przy wzajemnym pocieraniu ciał stałych,
jak i ciał stałych z cieczami.
Zjawisko elektryzacji przez tarcie charakteryzuje się kilkoma podstawowymi
cechami:
elektryzacja przez tarcie może powodować ładunek dużej wartości.
Ładuje się dodatnio (+)
Azbest
Szkło
Mika
Wełna
Futro
Ołów
Jedwab
Aluminium
Papier
Bawełna
Drewno
Lak
Ebonit
Miedź, mosiądz, srebro
Siarka
Platyna, rtęć
Kauczuk
Ładuje się ujemnie (-)
8
elektryzacja może występować zarówno przy tarciu tych samych materiałów jak
też materiałów różnych. Elektryzacja występuje również przy tarciu izolatora
o metal oraz przy tarciu i uderzeniu o powierzchnię rozdrobnionych materiałów,
pyłów i cieczy.
ładunki powstające przy tarciu nie są rozłożone równomiernie na powierzchniach
trących. W różnych częściach powierzchni mogą wystąpić różne gęstości
ładunków, a nawet mogą powstawać ładunki o różnym znaku.
skutek elektryzacji przy tarciu zależy od gładkości powierzchni.
jeżeli obok tarcia występuje równocześnie inna przyczyna elektryzacji,
to zjawiska te w pewnym sensie nakładają się.(np. tarcie w polu elektrycznym
może powodować powstanie większych lub mniejszych ładunków w zależności
od kierunku pola[2].
3.2. POWSTAWANIE
ŁADUNKÓW
ELEKTROSTATYCZNYCH
PRZEZ INDUKCJĘ
Jeżeli przewodnik metalowy wprowadzi się do pola elektrostatycznego
to pod wpływem sił pola elektrony swobodne będą przemieszczać się wewnątrz
przewodnika. Załóżmy, że pole pochodzi od ładunków dodatnich. Wówczas,
na przewodniku po stronie bliższej, ciała wytwarzające pole będą gromadzić ładunki
ujemne, a po stronie przeciwnej dodatnie. Ruch elektronów trwa do chwili, kiedy
natężenie pola elektrycznego wewnątrz przewodnika osiągnie wartość zero.
Jeżeli bowiem w jakimkolwiek punkcie wewnątrz przewodnika natężenie pola
elektrycznego jest różne od zera, to w przewodniku powstaje prąd elektryczny,
czyli występuje ruch ładunków. Opisane zjawisko nosi nazwę indukcji
elektrostatycznej[1].
Pole elektryczne wytworzone na powierzchni przewodnika jest odpowiednie
polu zewnętrznemu powodującemu zjawisko indukcji. Ładowanie przez indukcję
występuje tylko wtedy, gdy przewodnik znajdujący się w polu elektrycznym jest
izolowany od ziemi.
Ładowanie przez indukcję występuje zwłaszcza w silnym polu elektryczny.
Zjawisko to może powodować powstawanie ładunków na ludziach[2].
W skutek indukcji duże ładunki mogą pojawiać się na przewodzących
przedmiotach izolowanych, znajdujących się w pobliżu miejsca wyładowania
pioruna, jak również przy nadpłynięciu na obiekt chmur burzowych zawierających
duży ładunek objętościowy i to nawet wtedy, gdy wyładowanie nie nastąpi.
Przez indukcję elektryzują się wszelkie urządzenia, takie jak maszyny, wózki
transportowe itp. Wielkość zgromadzonego ładunku podczas elektryzacji przez
indukcję zależy od wartości natężenia pola elektrostatycznego oraz pojemności
elektrycznej danego obiektu w stosunku do ziemi[1].
3.3. POWSTAWANIE
ŁADUNKÓW
PRZY
ROZDZIELANIU
CIAŁ
STAŁYCH
Częstym zjawiskiem jest powstawanie ładunków elektrostatycznych przy
9
rozdzielaniu ciał stałych, a więc przy cięciu, mieleniu lub rozpylaniu różnych
materiałów. Powstające przy tym ładunki mają często dużą wartość, a fakt,
że rozdrobniony materiał, w szczególności jego pył, tworzy mieszaninę
z powietrzem co może spowodować zagrożenie wybuchowe.
Elektryzacja przy rozdrabnianiu i proszkowaniu ciał jest powodowana
głównie rozdzielaniem ładunków na powierzchni rozdziału. W niektórych
przypadkach jak np. przy rozrywaniu tkanin lub zrywaniu włókien mogą wystąpić
zjawiska rozerwania łańcuchów, jakie tworzą cząsteczki materiału tworzące dipole.
Ładunki mogą powstawać przy rozdrabnianiu zarówno dielektryków jak
i przewodników, np. przy proszkowaniu metalu lub węgla[2].
3.4. POWSTAWANIE
ŁADUNKÓW
ELEKTROSTATYCZNYCH
PODCZAS
RUCHU
CIECZY
W tym przypadku ładunki powstają np. przy przepływie, wypływie,
rozbryzgiwaniu, przelewaniu cieczy w skutek zjawiska zachodzącego w warstwie
powierzchniowej cieczy tj. na granicy rozdziału faz między cieczą a fazą gazową
lub cieczą a fazą stałą (tzw. efekt Lenarda)[2].
Wewnątrz cieczy występuje równowaga między siłami przyciągania się
cząsteczek (siły Van der Walssa) i siłami elektrostatycznymi(Culomba). Na
cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy siły te oddziałują ze wszystkich stron
jednakowo[3]. Na powierzchni cieczy powstają siły wypadkowe skierowane
prostopadle do powierzchni[2].
Na skutek sił elektrostatycznych działających między cząsteczkami powstaje
na granicy faz orientacja ładunków elektrycznych. Odnosi się to szczególnie
do cieczy polarnych, tj. takich, które mają trwałe dipole. Ładunki ujemne
są ułożone na zewnętrznej warstwie cieczy. Przy zmianie stanu powierzchni cieczy,
a więc jej wypływie, rozbryzgiwaniu itp. następuje rozdzielanie się ładunków
w warstwie zewnętrznej i tworzenie nowej powierzchniowej warstwy ładunku.
W ten sposób może wytworzyć się różnica napięcia między cieczą a naczyniem lub
rurociągiem. Rozważania te są słuszne w odniesieniu do cieczy przewodzącej
i nieprzewodzącej[3].
Cieczą elektrycznie przewodzącą jest nazywana ciecz, której opór właściwy ρ jest
mniejszy od 10
6
Ω·m. Taki opór właściwy jest w zupełności wystarczający, aby
nawet w okolicznościach niesprzyjających i przy znacznych długościach dróg
przepływu cieczy, istniała możliwość natychmiastowego praktycznie biorąc
wyrównania lub odprowadzenia nagromadzonych ładunków elektryczności
statycznej.
Cieczą elektrycznie nieprzewodzącą uważa się ciecz o oporze właściwym
przekraczającym 10
7
÷10
8
Ω·m.
Powstawanie ładunków elektrycznych przy przepływie cieczy wzdłuż
określonej drogi, ruch cieczy wywołujący ślizganie się niezwiązanych lub
szybszych ładunków warstwy podwójnej po warstwie ładunków związanych lub
powolniejszych, powoduje powstawanie prądu elektrycznego i umożliwia
gromadzenie się ładunków elektrycznych na końcach drogi poruszającej się cieczy.
Przy zderzeniu się z przeszkodą części swobodnego ładunku warstwy
10
podwójnej może utworzyć poruszający się ładunek przestrzenny. Jednakże
za przeszkodą powstaje znowu podwójna warstwa elektryczna, gdyż wytwarza
się dopełniający elektryczny ładunek przestrzenny o przeciwnym znaku.
W przypadku cieczy elektrycznie nieprzewodzącej znak ładunku strumienia
cieczy wypływającej z rury jest przeciwny niż znak ładunku wytworzonego
na rurociągu i odprowadzanego przez uziemienie przewodu. Jeżeli strumień cieczy
zostanie skierowany do uziemionego naczynia, to w naczyniu tym pojawi
się ładunek elektryczny przeniesiony przez ciecz. Natomiast gdy naczynie jest
izolowane, ładunek utrzymuje się i dzieli między zbiornikiem a cieczą. Na naczyniu
pojawia się wówczas pewne napięcie w stosunku do ziemi. Jeżeli izolowany
zbiornik jest metalowy, to cały zebrany na nim ładunek może zostać wyzwolony
w postaci jednej iskry, przy zbliżeniu do zbiornika uziemionego przedmiotu,
natomiast ładunek zgromadzony w cieczy będzie odprowadzany przez ścianki
naczynia stopniowo, odpowiednio do przewodności cieczy. Jeżeli naczynie jest
wykonane z materiału nieprzewodzącego, to przy zetknięciu się z uziemionym
przewodnikiem, z powierzchni naczynia zostanie odprowadzona do ziemi część
jedynie ładunku przechodząca z niewielkiego obszaru otaczającego miejsce styku.
3.5. POWSTAWANIE
ŁADUNKÓW
PRZY
RUCHU
GAZÓW
I PYŁÓW
Powstawanie ładunków obserwuje się również podczas przepływu par
i gazów. Czyste gazy elektryzują się w bardzo małym stopniu. Powstawanie
ładunków elektrostatycznych stwierdza się przy szybkim parowaniu lub skraplaniu
par, jak również przy sprężaniu i rozprężaniu gazów. Tłumaczyć to można
rozdzieleniem
się
ładunków
przy
szybkich
zmianach
odległości
międzycząsteczkowych[2].
Szczególnie duże ładunki powstają wtedy, gdy strumień pary lub gazu uderza
pod ciśnieniem o izolowane przedmioty, ścianki, przegrody itp. Dysze, z których
wypływa gaz uzyskują również przy tym ładunek, przy czym znak tego ładunku jest
przeciwny do znaku jaki ma ładunek powierzchni, w którą uderza strumień gazu.
Gazy zanieczyszczone przy ruchu i przepływie mogą elektryzować
się w znacznym stopniu. Powstające w tym przypadku ładunki zależą od ilości
i rodzaju zanieczyszczeń oraz prędkości przepływu gazu.
Zjawisko powstawania ładunków elektrycznych obserwuje się przy
przepływie i wypływie aerozoli, tj. zawiesin drobnych cząstek stałych lub cieczy
w gazie. Mieszaniny takie często tworzą się przy wentylacji pomieszczeń lub też przy
opróżnianiu naczyń, w których mogą znajdować się substancje łatwopalne takie jak
farby, lakiery, rozpuszczalniki.
Źródłem powstawania dużych ładunków może być też przepływ powietrza
zawierającego włókna i pyły tekstylne, zbożowe itp.
4. PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ ENERGII STATYCZNEJ
4.1. ŁADUNKI
STATYCZNE
W
PRZEMYŚLE
WŁÓKIENNICZYM
11
Jedną z dziedzin, w której ładunki elektrostatyczne powodują
szczególnie duże szkody jest przemysł włókienniczy. Zakłócenia powstają
tu głównie wskutek wzajemnego odpychania się sąsiednich, jednoimiennie
naładowanych włókien. Naelektryzowanie tkaniny utrudnia proces jej
dalszej
obróbki
oraz
krojenia,
a
także
sprzyja
większemu
zanieczyszczaniu powierzchni materiału przez przyciągane z powietrza
cząstki pyłu o ładunku elektrycznym przeciwnego znaku[3].
W procesach obróbki włókien syntetycznych występuje znacznie
intensywniejsza elektryzacja i związane z nią większe zakłócenia, niż
w przypadku włókien naturalnych lub wiskozowych.
Stwierdzono, że włókna słabo chłonące wodę elektryzują się szczególnie
silnie w pomieszczeniach produkcyjnych o niewielkiej wilgotności
względnej powietrza. Ładunek elektrostatyczny tworzy się w wyniku
stykania się lub tarcia dwóch różnych materiałów lub też na skutek
asymetrycznego tarcia dwóch materiałów jednakowych. Powstające ładunki
mogą jednak okazywać niepożądane działanie dopiero po oddaleniu
materiałów od miejsca ich styku. Ponieważ włókna, przy niewielkiej masie,
mają stosunkowo dużą .powierzchnię, mogą więc ulegać bardzo silnemu
naładowaniu.
Wskutek
wzajemnego
przyciągania
lub
odpychania
naelektryzowanych różnoimiennie bądź jednoimiennie włókien przędzy,
zachodzącego pomiędzy nimi lub z różnymi częściami maszyn, włókna
się wyginają, co często wywołuje znaczne zakłócenia w procesach
produkcyjnych.
Zakłócenia towarzyszące tworzeniu się ładunków statycznych obserwowano
przy:
przędzeniu wełny, a w szczególności podczas czesania przędzy,
zgrzebleniu i rozciąganiu pomiędzy wałkami rozciągowymi, przy
czym wielkość ładunku wzrasta ze zwiększeniem szybkości
procesu,
przędzeniu przędzy zgrzebnej, w tym przypadku występują podczas
zgrzeblenia i, w mniejszym, stopniu, w samych przędzarkach,
przędzeniu bawełny, w tym przypadku naładowanie włókien
utrudnia procesy czesania i zgrzeblenia.
Elektryzacja
włókien
w
procesie
zgrzeblenia
wywołuje
ich przywieranie do różnych części maszyny, która z tego względu wymaga
częstego czyszczenia. Obniża to wydajność procesu i powoduje straty surowca.
Duże trudności wiążą się z produkcją jedwabiu sztucznego (włókien
octanowych), a przede wszystkim włókien syntetycznych. Komplikacje powstają
na snowarkach, na których przędza ulega naładowaniu podczas odwijania z cewki
krzyżowej, wskutek tarcia włókna o materiał szpuli, tarcia o wodziki włókna,
urządzenia hamujące i grzebienie.
Przędza może ulegać naelektryzowaniu w rozmaity sposób i uzyskiwać
ładunki różnych znaków. Konsekwencją może być oddzielenie się poszczególnych
włókien od przędzy, zbijanie się (kłębienie) oraz łamanie się włókna.
Innym skutkiem elektryzacji włókien jest przyciąganie przez nie różnych
zanieczyszczeń, cząstek pyłu i sadzy, które osiadając na obrabianych w procesie
12
tkania materiałach powodują niedopuszczalne ich zanieczyszczenie.
Ten krótki przegląd niektórych zakłóceń, związanych z elektryzacją włókien
pozwala stwierdzić, że występują one powszechnie i są różnorodne.
4.2. ŁADUNKI
STATYCZNE
W POJAZDACH
Zjawisko elektryzacji pojazdów podczas jazdy następuje wskutek:
powtarzającego się systematycznie ścisłego styku i odrywania opony
od powierzchni drogi,
tarcia o powietrze.
Elektryzacja wskutek toczenia się kół następuje poprzez inicjowanie
ładunków w miejscu zetknięcia bieżnika opony z nawierzchnią drogi. Ładunki te
są następnie przenoszone przez obracającą się oponę i gromadzone na karoserii
pojazdu[2].
Elektryzacja wskutek tarcia o powietrze jest spowodowana głównie przez
cząstki pyłów i skondensowanej pary wodnej. Równocześnie z procesami
elektryzacji występują procesy samoczynnej deelektryzacji wskutek upływu
ładunku przez koła oraz przez powietrze. Wartość i znak inicjowanego ładunku
zależą m.in. od:
rodzaju i gładkości nawierzchni drogi,
prędkości jazdy,
rezystancji opon,
ciężaru pojazdu.
Im gładsza nawierzchnia jezdni, tym większe pole powierzchni styku i tym
intensywniejsze ładowanie elektrostatyczne[3].
Występowanie ładunków elektrostatycznych na pojazdach wyposażonych
w ogumienie pneumatyczne może wywoływać szereg przykrych konsekwencji.
Spośród nich należy wskazać na możliwość powstawania nieprzyjemnych
wyładowań iskrowych przy zetknięciu z karoserią samochodu
i zakłóceń
w odbiorze programu lub łączności radiowej. Ponadto ładunki statyczne mogą
powodować tzw. ozonowe przebicia dętek samochodowych znajdujących
się wewnątrz opon.
Należy też wspomnieć o znaczeniu oporu elektrycznego samej drogi. Przy
szczególnie suchej jezdni, opór jej powierzchni może być nawet o kilka
rzędów wielkości większy od oporu opon, jak to ma miejsce na przykład,
gdy drogi są asfaltowane. W takiej sytuacji zarówno nawierzchnia drogi, jak
i samochód mogą pozostawać w stanie naładowania dostatecznie długo.
4.3.
ŁADUNKI STATYCZNE W
LECZNICTWIE
Lecznictwo jest jedną z dziedzin, w których występowanie elektryczności
statycznej jest szczególnie niebezpieczne. Dotyczy to przede wszystkim
szpitalnych
sal
operacyjnych,
w
których
manipuluje
się
środkami
znieczulającymi[3].
W salach operacyjnych wyładowania iskrowe pochodzenia elektrostatycznego
mogą być też wynikiem posługiwania się różnorodnymi przyrządami i sprzętem
13
medycznym. Chodzenie zatrudnionych w sali operacyjnej osób po izolowanej
elektrycznie podłodze może, w sprzyjających warunkach, spowodować
intensywną elektryzację. Duże ładunki mogą powstać również przy
ściąganiu ze stołu operacyjnego gumowego pokrycia, przy czym potencjały
elektrostatyczne powstają zarówno na samym stole, jak i na zdejmowanym
pokrowcu. Ponadto ładowanie odbywa się podczas tarcia tych czy innych
materiałów izolacyjnych o siebie lub o przedmioty metalowe. W sprzyjających
warunkach może nastąpić wyrównanie potencjałów przez wyładowanie iskrowe,
grożące
zainicjowaniem
mieszaniny
wybuchowej.
Wybuch
w
takich
okolicznościach może mieć poważne, a niekiedy wręcz decydujące konsekwencje
dla zdrowia chorego i może nadto spowodować pożar lub poranienie przez
lecące odłamki osób z otoczenia itp.
Dużym niebezpieczeństwem grozi przede wszystkim obecność tlenu, który
zmniejsza wartość minimalnej energii, niezbędnej do spowodowania wybuchu
mieszaniny.
Niebezpieczeństwo powstawania wyładowań iskrowych w salach
operacyjnych jest znaczne, ze względu na duże nagromadzenie wszelkich
wyrobów z gumy i tworzyw sztucznych. Materiały te stosuje się w medycynie
z uwagi na niehigroskopijność ich powierzchni oraz możliwość łatwej
sterylizacji. W związku z tym należy zwrócić tu również uwagę na możliwość
zastosowania gumy elektroprzewodzącej, która pozwala na znaczne zmniejszenie
omawianego zagrożenia.
Wybuchy środków znieczulających na sali operacyjnej mogą się zdarzyć
tylko w pewnych określonych warunkach, a mianowicie wtedy, gdy mieszanina
gazów palnych osiągnie stężenie wybuchowe oraz gdy nastąpi jej zapłon iskrą
elektryczną, przez płomień lub wskutek zetknięcia się z przedmiotem rozpalonym
do wysokiej temperatury. Niebezpieczeństwo wybuchu jest tym większe,
im mniejsza wartość iskry lub płomienia jest potrzebna do zainicjowania
wybuchu[2].
4.4. ELEKTRYZACJA CIAŁ STAŁYCH
Rozdrobnione ciała stałych (pyły, granulaty, włókna itp.) ulegają
naładowaniu elektrostatycznemu w wyniku wzajemnych zderzeń i tarcia
ich cząstek, a także zderzeń i tarcia o ścianki aparatury i instalacji. Zjawisko
elektryzacji występuje przy:
przesyłaniu ciał rozdrobnionych rurociągami,
przesypywaniu,
przesiewaniu,
mieszaniu,
a także przy wydostawaniu się pyłów przez nieszczelności rurociągów
i instalacji[2].
Materiały będące w stanie rozdrobnienia oraz urządzenia służące do ich
obróbki, mogą w pewnych przypadkach uzyskiwać ładunek elektrostatyczny,
który staję się niebezpieczny, gdy są to substancje palne (np. sadza węglowa,
pyły włókiennicze, ziarno, mąka, sproszkowany cukier, niektóre farmaceutyki,
14
sproszkowane metale itp.)[3].
Znaczny
ładunek
.elektrostatyczny
wytwarza
się
w
procesach
rozdrabniania ciał stałych na różnorodnych, służących do tego celu
urządzeniach.
Stwierdzono,
że
mieleniu
łusek
stabilizatora
AR
(fenylobetanaftyloaminy), stosowanego przez przemysł gumowy, towarzyszy
intensywna elektryzacja pyłu, co może powodować wyfuknięcia powstającej
w tych
warunkach
mieszaniny
wybuchowej.
Energia
naładowania
elektrostatycznego w tym procesie osiągała wartość zbliżoną do minimalnej
energii zapłonu mieszaniny pyłu z powietrzem. Wykazano, że ładunek
elektrostatyczny, gromadzący się wewnątrz komory młyna można zmniejszyć
przez zwiększenie przewodności rozdrabnianych łusek stabilizatora AR, przy
jednoczesnym zastosowaniu specjalnej instalacji uziemiającej.
Ładowanie się rozdrobnionych ciał stałych powoduje z kolei ładowanie
się z nimi powierzchni. W wielu zakładach stan naładowania różnych elementów
urządzeń produkcyjnych stanowi groźbę pożaru lub wybuchu, grozi porażeniem
obsługi i może utrudniać przebieg czynności produkcyjnych.
Dotkliwe i bolesne wstrząsy są odczuwalne przez personel produkcyjny przy
przesypywaniu granulowanych tworzyw sztucznych, przy szlifowaniu i cięciu
niektórych materiałów, a nawet przy odkurzaniu pomieszczeń, w których występują
pyły przemysłowe[2].
4.5
.
ŁADUNKI STATYCZNE NA WYROBACH Z TWORZYW SZTU-
CZNYCH
Powstawanie ładunków elektrostatycznych może pociągać za sobą bardzo
niebezpieczne skutki przy operowaniu lotnymi, łatwopalnymi cieczami. Na
przykład przy przelewaniu i przepompowywaniu cieczy z jednego do drugiego
naczynia powstają ładunki statyczne, które mogą w określonych warunkach
się nagromadzić, w związku z czym może wreszcie dojść do wyrównania
potencjałów przez wyładowanie iskrowe[3].
Naładowana powierzchnia elementu wykonanego z tworzywa sztucznego
przyciąga i skupia na sobie pyły pochodzące z otaczającej przestrzeni.
Konieczność usuwania pyłu zanieczyszczającego powierzchnię wyrobów
z tworzyw sztucznych stanowi od dawna duże utrudnienie przy ich stosowaniu.
Zwykle podejmuje się próby usunięcia pyłu przez ścieranie powierzchni
przedmiotu kawałkiem tkaniny, co powoduje jeszcze intensywniejszą
elektryzację i przyciąganie większej ilości pyłów.
Ładunki elektrostatyczne powstają na powierzchni przedmiotów w wyniku
ścisłego stykania się masy tworzywa ze ściankami metalowej matrycy, podczas
wyjmowania wyrobu z formy, napięcie na naładowanej powierzchni
względem
ziemi ulega
wzrostowi
wskutek
zmniejszenia
pojemności
elektrycznej.
Zdolność
gromadzenia
pyłu
jest
ściśle
związana
z
oporem
powierzchniowym materiału.
Tworzywami, na których gromadzą się niedopuszczalne ilości pyłów,
są polietylen i polimetakrylan metylu, jednakże pyły osiadają na nich
15
w stopniu mniejszym aniżeli na polistyrenie. Intensywniejsze przyciąganie
pyłu nie występuje nawet przy pocieraniu wykonywanym w celu wytworzenia
nowych ładunków elektrostatycznych. Na innych materiałach termoplastycznych
lub termoutwardzalnych, takich jak etyloceluloza, polichlorek winylu,
polichlorek winylidenu, octan celulozy, żywice fenolowo-formaldehydowe,
mocznikowe i melaminowe, pył gromadzi się w postaci jednolitej cienkiej
warstwy, nie tworząc żadnych deseni.
4.6. ŁADUNEK ELEKTROSTATYCZNY NA POWIERZCHNI CIAŁA
LUDZKIEGO
Ciało ludzkie może również gromadzić ładunki elektrostatyczne, które
powstają podczas chodzenia; w rezultacie systematycznego stykania stopy
z podłogą, a następnie jej oddalania[3].
Szczególnie intensywne ładowanie występuje przy:
stykaniu obuwia
na gumie z gumowymi chodnikami,
parkietem,
betonem,
linoleum,
dywanami
oraz w wyniku tarcia odzieży o ciało.
Jednym z najważniejszych czynników wpływających na ładowanie
elektrostatyczne człowieka jest rodzaj obuwia. W związku z tym można
do pewnego stopnia kontrolować stopień naładowania. Obuwie gumowe, podobnie
jak i stosowane często gumowe wykładziny podłogowe, stanowi dobrą izolację
elektryczną.
Ważny problem stanowi powstawanie ładunków elektryczności statycznej
na odzieży. Występuje on zarówno w procesie produkcyjnym i konfekcjonowania,
jak również przy użytkowaniu. Naelektryzowanie odzieży powoduje gromadzenie
się ładunków na ludziach i może prowadzić do niebezpiecznych lub szkodliwych
skutków[2].
Materiały włókniste można podzielić na trzy grupy:
materiały o małej rezystywności od 10
5
do 10
6
m
, do których należą
tworzywa na osnowie celulozowej, takie jak sztuczny jedwab
i bawełna;
materiał o średniej rezystywności od 10
8
do 10
10
Ω·m, do których
należą wełna i jedwab naturalny;
materiały o dużej rezystywności, wynoszącej od 10
10
do 10
13
Ω·m;
należą do nich włókna syntetyczne.
Przy tarciu o skórę człowieka odzież tekstylna ładuje się i również ładuje
ciało człowieka. Sposób elektryzacji różnych materiałów przedstawiono w tabeli 2.
Znane są przypadki nieoczekiwanego przeskoku iskier z końców palców,
przy zbliżeniu ręki do grzejników centralnego ogrzewania, rur gazowych, drzwi
windy itp. Zjawisko to obserwuje się często przy korzystaniu z dywanów lub
innych wykładzin podłogowych, w szczególności w czasie suchej, mroźnej zimowej
16
pogody. Napięcia, które mogą w tych przypadkach wytwarzać się na powierzchni
ciała człowieka, sięgają niekiedy 5÷15 kV, w stosunku do ziemi.
Jeżeli
uwzględnimy, że pojemność: elektryczna człowieka wynosi 100—200 pF, to prostym
rachunkiem nietrudno, wykazać, że taki stopień naładowania może stać
się przyczyną pożaru lub wybuchu w pomieszczeniu, w którym operuje
się łatwopalnymi rozpuszczalnikami lub innymi substancjami palnymi (gaz
świetlny, eter, benzyna, aceton itp.)[3].
Tabela2. Elektryzacja odzieży [2]
Materiały
Znak ładunku
Uwagi
odzież
skóra
człowieka
Poliamidy
Jedwab naturalny
Wełna
+
-
Elektryzuje się silnie
Chlorin
Chlorek winylu
Propylen
-
+
Elektryzuje się silnie
Bawełna
Drewno
Len
Wiskoza
+
-
Elektryzuje się słabo
Skóra
Poliakrylonitryl
Poliester
Poliuretan
-
+
Elektryzuje się słabo
4.7. ŁADUNKI
ELEKTROSTATYCZNE
W
LOTNICTWIE
Wytwarzanie się ładunków elektrostatycznych może mieć niepożądane
następstwa również w transporcie powietrznym. Zakłócenia z tego powodu
występowały już podczas posługiwania się balonami i
sterowcami,
w szczególności zaś przy wypełnianiu ich łatwopalnym wodorem. Podczas
napełniania balonów wodorem z butli zdarzały się pożary. Powstawanie
ładunków statycznych przy opróżnianiu butli przypisuje się ruchowi cząstek
rdzy, porywanych ze ścianek butli i przenoszonych strumieniem powietrza
przez przewody napełniające. Elektryczność statyczna może być wytwarzana
również dzięki tarciu napiętego materiału pokrycia balonu o konstrukcję
nośną lub na skutek przypadkowego rozerwania naprężonej powłoki[3].
Zakotwiczony balon stanowi doskonały odgromnik, w który łatwo może
uderzyć piorun. Nawet wówczas gdy wyładowanie atmosferyczne nie jest
bezpośrednie, pole elektryczne pod chmurą burzową jest tak silne, że na górnej
części powierzchni balonu indukuje się znaczny ładunek, wywołujący
na wszystkich występach balonu wyładowania.
W porównaniu z balonami napełnianymi wodorem, nowoczesnym
17
samolotom nie grozi w zasadzie niebezpieczeństwo, związane z elektryzacją
statyczną, ale mogą tu jednak występować pewne zjawiska, odgrywające
poważną rolę.
Podczas przelotu przez chmurę, na metalowej powierzchni samolotu
gromadzi się ładunek ujemny, powstający wskutek tarcia o mikroskopijne
kryształki śniegu i lodu, które z kolei ładują się dodatnio. Na samolocie mogą się
gromadzić również ładunki kropelek wody, rozbijających się o niego w czasie
lotu. Jest oczywiste, że gdy samolot przelatuje przez obszar o anomalnie
dużym natężeniu pola elektrycznego, zwłaszcza podczas burzy, może zebrać
się na nim bardzo duży ładunek elektrostatyczny. Naładowanie samolotu jest
przypuszczalnie skutkiem powtarzających się zderzeń kryształków, lodu lub
kropelek wody z jego powierzchnią i następującego potem ich oddalania
się, chociaż jest też możliwe, że krople wody lub bryłki śniegu są już przed
zderzeniem nośnikami ładunku który w chwili zderzenia przejmowany jest przez
samolot. Jeśli natomiast gromadzenie się ładunku na samolocie obserwuje
się, wówczas gdy otoczenie nie zawiera skondensowanej pary wodnej,
to świadczy o tym, że samolot prawdopodobnie przelatuje przez warstwy
powietrza, będące poprzednio częścią chmury burzowej. Górna część chmury
burzowej
zawiera
znaczną
ilość
naładowanych
dodatnio
kropelek
lub kryształków lodu; podczas ich wyparowywania mogą się wyzwalać ładunki,
które w połączeniu z poszczególnymi jonami gazu, pozostają w ciągu
określonego czasu w postaci zawiesiny.
LITERATURA
1.
Gajewski A. S.: Elektryczność statyczna poznanie, pomiar,
zapobieganie, eliminowanie. Instytut Wydawniczy Związków
Zawodowych Warszawa, 1987.
2.
Strojny J.: Elektryczność statyczna w pytaniach i odpowiedziach.
WNT Warszawa 1979
3.
Šimorda J., Staroba J.: Elektryczność statyczna w przemyśle. WNT
Warszawa, 1970
4.
Rawa H.: Bezpieczeństwo pracy i ergonomia, Podstawowe czynniki
zagrożeń w środowisku pracy. Centralny Instytut Ochrony Pracy
1999
5.
PN-92/E-05200
Ochrona
przed
elektrycznością
statyczną.
Terminologia.
18
WYKAZ OZNACZEŃ
Q
ładunek, C
Δq
punktowy ładunek próbny w kulombach , C
Δl
długość, m
σ
gęstość powierzchniowa ładunku C·m
-1
τ
gęstość liniową ładunków,
dl
element długości, wzdłuż której rozłożony jest ładunek
ρ
gęstość objętościowa ładunku, C·m
-2
ΔV
objętość elementarna, C·m
-3
ΔF
siła działająca na ładunek próbny Δq, N
ΔS
pole powierzchni elementarnej dielektryka, C·m
-2
0
przenikalność elektryczna bezwzględnej próżni, 8,85910
-12
AsV
-1
m
-1
E
natężenie pola, V·m
-1
r
przenikalność elektryczna względem środowiska,