Глава 18 защита от статического и атмосферного электричества

18. 1. Статическое электричество

Статическое электричество — совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (уменьшением величины) свободных электрических зарядов на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых материалов и изделий или на изолированных проводниках.

Возникновение и сохранение зарядов статического электричества (СтЭ) называют электризацией тел.

Заряды СтЭ образуются при деформации (изгибе,, растяжении, резании и т. п.) и дроблении твердых тел, разбрызгивании жидкостей, при относительном перемещении (трении) твердых тел, слоев сыпучих и жидких тел, при испарении, сублимации и кристаллизации веществ, при облучении тел ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами и атомными частицами, при химических реакциях между веществами.

Атомы химических элементов электрически нейтральны, так как содержат одинаковое количество отрицательно заряженных электронов (на орбитах) и положительно заряженных протонов (в ядре атома). Нейтральными в обычных условиях являются все физические тела.

Заряды СтЭ образуются в результате перераспределения заряженных частиц (электронов) в телах. В основе механизма перераспределения заряженных частиц лежит явление экзоэлектронной эмиссии (ЭЭ) — вылет электронов за пределы тела.

18.2. Физическая природа и опасные факторы статического электричества

Общим во всех явлениях, приводящих к возникновению зарядов статического электричества (СтЭ), является сообщение (передача) телам избыточной внутренней энергии; явления различаются только способом передачи энергии. Появление в телах избыточной внутренней энергии приводит к повышению температуры тел относительно окружающей среды. Нагретое тело остывает, передавая избыточную тепловую энергию окружающей среде. Передача энергии обеспечивается фононами (квантами упругих колебаний атомов), излучением электромагнитных квантов различных энергий (включая фотоны видимого света), эмиссией электронов и ионов, а для тел сложного химического строения — также эмиссией ионрадикалов.

Эмиссия ионов, ионрадикалов, а также нейтральных атомов и молекул наблюдается экспериментально, однако ввиду сравнительной массивности этих частиц акты их эмиссии относительно редки и доля переносимой ими энергии невелика. Основными носителями энергии являются электроны — самые легкие атомные частицы; их доля в теплопереносе для металлических тел достигает 90 %. Эмиссия электронов обычно сопровождается излучением квантов электромагнитных колебаний; например, при раскалывании сахара в темноте на новых поверхностях наблюдается голубоватое свечение.

В строительстве используются преимущественно твердые и сыпучие тела, которые часто подвергаются механическому воздействию (деформации, дроблению, трению). В ходе выполнения этих операций механическая работа силы преобразуется в избыточную внутреннюю энергию тел.

Сообщение телам избыточной внутренней энергии любым способом всегда сопровождается экзоэмиссией электронов с поверхности тел. Экспериментально этот факт был установлен в 1949 г. и по фамилии ученого получил название «эффект Крамера».

При трении тел разного химического состава возникают встречные потоки электронов (рис. 18. 1). Каждый электрон является не только носителем энергии, но и носителем отрицательного заряда. Облачко электронов, осевших на поверхности диэлектрического тела, создает отрицательный статический заряд. Разность интенсивностей встречных потоков электронов определяет преимущественное направление переноса отрицательных зарядов и их величину. Атомы тела, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы и образуют положительный заряд такой же величины. Поверхности трения имеют точечный контакт, преобразование работы деформации в теплоту происходит именно в точках контакта и потому распределение зарядов на поверхности тел носит очаговый характер.

Рис. 18.1. Схема образования двойного электрического слоя (ДЭС) при трении двух разнородных тел.

Конечным результатом трения тел. является образование на их поверхностях двойного электрического слоя (ДЭС) (рис. 18. 1). ДЭС не образуется только в том случае, когда тела выполнены из одного материала, так как при этом условии встречные потоки электронов взаимно полностью компенсируются.

Процессу электризации тел способствуют такие факторы, как увеличение силового взаимодействия контактирующих тел, увеличение скоростей перемещения твердых, сыпучих и жидких тел, увеличение различия в электросопротивлении тел.

Двойной электрический слой возникает в результате принудительного перераспределения заряженных частиц и в силу этого является неустойчивым образованием. Близкое расположение зарядов противоположных знаков создает постоянную тенденцию к их релаксации. Движущими силами процесса релаксации являются как силы отталкивания между зарядами одного знака, так и силы притяжения между отрицательными и положительными зарядами. Эти силы можно рассчитать по формуле Кулона

где q₁ и q₂ — заряды; R — расстояние между ними. Релаксация зарядов СтЭ происходит преимущественно за счет перемещения электронов, образующих отрицательные заряды.

Релаксация зарядов статического электричества происходит в следующих формах (рис. 18. 2): 1) растекание зарядов по поверхности тела; 2) распределение зарядов в объеме тела; 3) стекание зарядов с поверхности тела в воздух (образование стримеров); при этом в промежутке между телами происходит ионизация воздуха, благодаря чему создаются условия для прохождения искрового разряда; 4) искровые разряды между отрицательными и положительными зарядами на поверхностях тел; эта форма релаксации наиболее эффективна, так как сопровождается массовой рекомбинацией заряженных частиц с образованием нейтральных атомов.

Рис. 18.2. Схема релаксации зарядов статического электричества:1— прорезиненная лента транспортера; 2— металлический каток транспортера; 3— растекание зарядов по поверхности тела; 4— распределение зарядов по объему тела; 5— стримеры (лавины электронов) ; 6— искровые разряды

Сохранение зарядов СтЭ во времени зависит в основном от удельного объемного электрического сопротивления р тел. Материалы с ρ<<10⁵ Ом-м практически не электризуются: возникновение и релаксация зарядов происходит примерно с одинаковой скоростью; из таких материалов рекомендуется изготовлять производственное оборудование. Материалы с ρ> 10⁵ Ом-м (например, капрон, ρ = 10¹² Ом-м) относятся к полупроводникам и диэлектрикам; они способны долго сохранять заряды на своей поверхности.

Искровые разряды между контактирующими телами могут иметь большую энергию и могут быть источником зажигания горючих газо-, паро- и пылевоздушных смесей. Именно в этом заключается основной опасный фактор статического электричества. По статистическим данным искровые разряды СтЭ являются причиной примерно 60 % всех взрывов на взрывопожароопасных производствах.

Согласно ГОСТ 12.1.018—86 «ССБТ. Пожарная безопасность. Электростатическая искробезопасность. Общие требования», характеристиками зажигающей способности разрядов СтЭ являются минимальная энергия и минимальный заряд зажигания.

Степень электризации тела характеризуется величиной его электрического потенциала φ (В) относительно земли. Потенциалы тел измеряют статическим киловольтметром. Электрический заряд тела q (Кл) равен произведению потенциала на электрическую емкость тела С (Ф) относительно земли:

Минимальный заряд зажигания есть наименьшее значение полного заряда, перенесенного единичным искровым разрядом, необходимое для зажигания горючей смеси при оптимальном соотношении горючего и окислителя.

Ток электризации I, (А) равен произведению потенциала на среднее число разрядов в секунду:

Энергию разряда W (Дж) вычесляют по формуле

Минимальная энергия зажигания представляет собой наименьшее значение энергии электрического разряда, способного воспламенить данную легковоспламеняемую смесь пара или пыли с воздухом.

Электростатическая искробезопасность считается обеспеченной, если в результате принятых мер максимально возможная энергия разряда СтЭ на производстве не превышает 0,25 минимальной энергии W₃ зажигания возможной на производстве горючей смеси. Величина W_з (мДж) составляет для паров: бензина — 0,15, метана — 0,28, оксида углерода —8, хлопкового пуха—10, древесной муки и алюминиевой пыли—20.

Для человека разряды СтЭ не представляют прямой опасности. Тело человека легко электризуется, его потенциал может достигать 15 кВ, но токи разряда весьма малы, они обычно составляют доли микроампера. Искровые разряды вызывают у человека ощущение слабого или острого укола и лишь при разности потенциалов 30 кВ вызывают временную судорогу. Такое действие может вызвать непроизвольное резкое движение и привести к травме.

Энергия разрядов СтЭ с тела человека может достигать 10 мДж, что достаточно для зажигания многих горючих смесей, поэтому человек, как и производственное оборудование, должен быть защищен от образования заметных зарядов СтЭ.