Ещё с детских лет мы все сталкиваемся с электростатикой – например, когда снимаем шерстяной свитер или гладим домашних питомцев, а потом касаемся металлических корпусов бытовых приборов. Нам знакомо это лёгкое потрескивание и слабые, но неприятные микроукольчики в кончики пальцев. Сама по себе электростатика не представляет особой опасности, если только она не вызвана неправильной работой бытовой техники и предварительным воздействием сетевого напряжения на корпус прибора. Далее мы расскажем читателям о природе электростатики и обсудим, стоит ли её опасаться.
Реальная опасность может исходить от устройства, отключённого от сети, лишь в случае, если до этого его корпус был электрически заряжен из-за неисправности, и теперь может разрядиться в человека. Такой удар способен может привести к локальным ожогам или временному онемению конечностей, соприкасавшихся с устройством. Иногда в быту подобная опасность может исходить от розеток, поскольку при их обычном использовании штепсельные контакты от трения с полимерной конструкцией накапливают заряд, который в дальнейшем может существенно усилиться за счёт окружающего их электромагнитного поля.
Кроме того, электростатика может представлять опасность не только сама по себе, но и как фактор, вызывающий возгорание. Маленькая искра, возникающая от трения нескольких разных материалов, может перекинуться на соседние объекты. Пожары, вызванные статическим электричеством, часто происходят на зернохранилищах и складах разных химикатов, а мест также с топливом и любыми жидкостями, содержащими спирт. Все вещества с высокой горючестью, а также мелкодисперсные порошки, могут воспламеняться от, казалось бы, безобидной электростатики.
К категории редких негативных эффектов, которые продуцирует электростатика, можно отнести электромагнитные наводки. Если данное явление проявляется рядом с устройствами, которые оснащены компонентами, чувствительными к радиоволнам, оно способно нарушить их настройки или даже повредить конденсаторы. Из-за электростатики могут возникнуть и искажения радиосигнала или нарушиться функционирования пультов ДУ от телевизоров, ЛЕД-лент, радиоигрушек и пр.
Природа феномена
Необходимо осознавать, что типичные сценарии возникновения статического электричества обусловлены обстоятельствами, которые создают предпосылки для формирования разрядов. Искры могут появиться в любом месте и в любой момент, если между объектами или веществами возникает трение. Заряд всегда накапливается на поверхности: на нашей руке после трения о ткань, на корпусе автомобиля, движущегося с высокой скоростью, на дверной ручке, о которую регулярно трётся одежда. Когда происходит разрядка, мы слышим характерный треск и видим искру.
Дабы разобраться в том, как устроено статическое электричество, полезно вспомнить о молекулярном строении материального мира. Атом состоит из электронов (имеют отрицательный заряд), протонов (имеют положительный заряд) и нейтронов (без заряда). В большинстве тел первые две частицы количественно компенсируют друг друга, таким образом формируя в целом нейтральный заряд атома. Однако, при взаимодействии нескольких тел, даже небольшое трение может заставить сверхлёгкие электроны перейти с одной поверхности на другую. Это приводит к дисбалансу зарядов: в результате одно тело приобретает положительный заряд, а другое – отрицательный. При их повторном контакте свободные электроны стремятся мгновенно занять вакантные места, вызывая знакомые звук и свечение.
Отрадно, что такое явление происходит не со всеми телами и не наблюдается постоянно, иначе человек беспрестанно получал бы разряды, взаимодействуя с чем-либо. Металлы, обладающие очень хорошими токопроводящими свойствами, часто имеют электроны со слабой связью внутри своей атомарной структуры, и потому именно они столь широко используются в качестве электрических проводников. Данное свойство издревле известно человечеству: этим объясняется то, что провода и кабели всегда изготавливаются из меди и алюминия как материалов, способных обеспечить проводимость, а потому и эффективную передачу электрического тока на расстояние.
Следует отметить, что природа всё устроила удивительным образом в отношении проводников тока и диэлектриков. Перераспределение зарядов часто происходит легче и эффективнее при взаимодействии проводника с диэлектриком, чем при контакте двух проводников, что может показаться совершенно неожиданным. Например, при трении босых ног и шерстяного ковра происходит перемещение электронов на волокна. Шерсть не даёт своим электронам так просто отделиться, однако довольно «гостеприимна» в отношении чужих. Пока мы стоим на ковре, заряд в такой системе остаётся нейтральным, но как только сойдём, у тела окажется недостаток электронов. Прикосновение к металлической дверной ручке, готовой отдать свои, вызывает эффекты покалывания и треска, сопровождающих переход заряда. Таким образом, происходит замещение электронов, переданных ковру, свободными электронами из металла ручки.
На более масштабном уровне, тот же принцип лежит в основе образования молний. Взаимодействие облаков в небе приводит к дисбалансу зарядов, и в определённый момент происходит обратное распределение большого количества электронов. Молния, которую мы видим, представляет собой обратный переход, сопровождающийся светом и звуком разряда –громом. Часть избыточного заряда поглощается землёй и постройками, а основные электроны занимают свободные места в атомах облаков, ранее заряженных положительно.
Средства защиты от электростатики
Если обобщать, весьма обширное семейство способов защиты от электростатики сводится к выбору из двух базовых вариантов: либо создать условия, при которых несвязанные электроны будут рассеиваться самостоятельно, не вызывая характерных щелчковых переходов, либо же предотвратить сам процесс накопления заряда. Простейшим способом избавиться от потенциальных статических электроударов является обычное заземление электроприборов. Предполагается, что корпуса исправных устройств, хоть и не имеют напряжения, могут постепенно накапливать заряд. Если обеспечить его сток в землю через отдельный кабель, касания корпуса перестанут представлять угрозу для здоровья.
В бытовых приборах заземление обычно осуществляется с использованием третьей (жёлто-зелёной) жилы в шнуре питания. Эта жила соединяется с соответствующим контактом в розетке и ведёт к заземляющему контуру. В автомобилях и других передвижных устройствах заземление ещё более очевидно: к кузову или корпусу крепится полоска из токопроводящего материала или металлическая цепочка, которая при движении контактирует с асфальтом и обеспечивает сток статического заряда в землю.
Ещё один хорошо известный способ избавиться от избытка электронов на поверхности объектов заключается в увеличении электропроводимости диэлектрических материалов. Сделав это, вы сможете отводить лишний заряд на другие объекты, уменьшая общий потенциал. Достижение нужного эффекта осуществляется с применением различных спреев и аэрозолей, наносимых на предметы. Кроме того, на большие устройства можно приклеивать специальные плёнки, притягивающие заряд к себе. Принцип действия в обоих ситуациях аналогичен, но во втором случае плёнка приклеивается сразу, в то время как в первом она формируется после высыхания состава на поверхности объекта.
Подобный эффект также достигается простым увлажнением воздуха: при высокой влажности в доме предметы мебели и другие поверхности покрываются тончайшим «налётом», способным обеспечить повышенную электрическую проводимость. Также весьма эффективно ионизировать воздух в помещении: ионизатор моментально генерирует необходимое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, а затем выбрасывает при помощи вентилятора их в виде потока. Благодаря хорошей диффузии, каждый ион мгновенно отыскивает место для себя, притягиваясь к микрочастицам противоположной полярности, что и нейтрализует заряд.
В промышленности, где любая искра может представлять серьёзную опасность, используются несколько иные подходы. Например, разрабатываются новые методы осуществления производственных процессов, полностью исключающих или минимизирующих вероятность накопления заряда на поверхности станков и агрегатов, создаётся соответствующий микроклимат, применяются антистатические вещества при обработке оборудования и спецодежды персонала. Поскольку светильники и дополнительные средства производства находятся вне зоны возможного контакта с человеком, уменьшается вероятность взаимодействия между объектами с разными зарядами и появления искры. На производствах с повышенной опасностью сотрудники проходят через так называемую клетку Фарадея – специальный громоздкий металлический короб со стенами из сетки с мелкими ячейками. Такая конструкция принимает на себя любой разряд и выводит его в землю по отдельному кабелю.
Любопытные факты о статическом электричестве
Специалисты выделяют целых три разновидности статического электроразряда.
1. Искровой разряд формируется между двумя объектами, габариты которых можно условно соотнести (например, тело человека и бытовой прибор). Искра способна иметь практически любую мощность, что при наличии поблизости легковоспламеняющихся веществ (в основном, жидкостей и аэрозолей), мгновенно ведёт к пожару.
2. Кистевой разряд возникает между каким-либо объектом и точкой заряженного диэлектрика, выраженно отделяющейся от поверхности. Энергия этого разряда существенно меньше, и, следовательно, степень опасности также оценивается ниже среднего. Такой разряд происходит очень быстро и больше угрожает треском, чем реальным воздействием.
3. Скользящий разряд можно наблюдать в моменты трения тонких листовых материалов, таких как сворачивание металлического листа. Вдобавок, накопление энергии происходит при распылении некоего покрытия с последующим движением слоёв материала между собой. Уровень разряда несколько меньше, чем у первого типа, но имеет примерно тот же порядок.
Полезное применение статическое электричество обретает лишь в нескольких областях. Так, всем известно, что оно активно используется для демонстрации в условиях школьной лаборатории феномена существования электричества – к примеру, на уроке физики. Однако задействовать его для питания даже крайне экономичных и маломощных светодиодных ламп пока что крайне затруднительно.
Зато в промышленных условиях статическое электричество довольно активно используют для совершенствования процесса окрашивания различных деталей. Заранее заряжая краску и объект окрашивания разными по направлению зарядами, производят распыление жидкости, частицы которой равномерно и быстро прилипают. Это не только заметно повышает скорость данного производственного этапа, но и положительно сказывается на качестве покраски, параллельно уменьшая на 50% расход красок.
Аналогичный принцип, только в ином масштабе, эксплуатируется в лазерных принтерах – только уже с порошком и бумагой. Зарядив их зарядами, обеспечивающими притяжение частиц только к отдельным зонам бумаги, удаётся добиться быстрой и качественной печати. Этот принцип позволил массово уйти от струйной и матричной технологии к лазерной и цифровой.
В прочих областях разряд электростатики всё ещё воспринимается в качестве нежелательного явления, способного принести дискомфорт или даже мелкий ущерб. Возможно, в ближайшие годы мы всё же сумеем придумать, как извлечь пользу из данного феномена, дабы поставить его на службу цивилизации. Научные исследования такого рода уже проводятся, однако точно предсказать, когда мы увидим действительно значимые результаты, на данный момент затруднительно.
Написать комментарий