Электростатическое электричество: откуда берется статическое электричество и как от него избавиться – Москва 24, 14.09.2015

откуда берется статическое электричество и как от него избавиться – Москва 24, 14.09.2015

Иллюстрация: Полина Бреева

Статическое электричество – это явление, спровоцированное появлением или исчезновением избыточного напряжения на поверхности или внутри материалов, не проводящих электрический ток (стекла, пластика и других). Их называют диэлектриками, в их молекулярной структуре почти отсутствуют свободные электроны. Как появляется этот эффект и каким образом с ним можно бороться, объяснили наши друзья из Детского центра научных открытий «ИнноПарк».

Статическое электричество появляется из-за нарушения равновесия внутри атома или молекулы. На внешних орбиталях образуется избыточное количество электронов либо их, наоборот, становится недостаточно. Наиболее распространенная причина нарушения этого равновесия – трение. Даже самая гладкая, зеркальная поверхность имеет микровыступы, неровности, шероховатости. Трение есть всегда и в любых средах: твердой, жидкой и газообразной.

Резкий перепад температур также может стать причиной электризации. Происходит изменение скорости движения и, соответственно, количества столкновений или колебаний атомов внутри кристаллической решетки или молекулы. Как следствие – спонтанное отделение электронов, которые могут скапливаться, тем самым создавая статический заряд.

В быту мы часто сталкиваемся с этим эффектом. Когда мы ходим по ковру, мы являемся носителями отрицательного заряда, а ворсинки у нас под ногами – положительного. Как только мы после такой прогулки возьмем в руки ключи, накопленное напряжение мгновенно разрядится и нас слегка тряхнет.

Особенно настойчиво статическое электричество преследует нас в холодное время года. Зимой низкая влажность, а на человеке больше одежды. Сухость плюс много диэлектриков – плодотворная среда для электризации. На шерстяном свитере и синтетической кофте хорошо скапливаются заряды. Бояться нечего, небольшие разряды статического электричества не могут нанести вреда человеку.

Если вам все же неприятно, вот несколько практических рекомендаций:

Ссылки по теме

1проложите хлопковой тканью стопки бумаги, пластика или синтетики;

2распыляйте на ковры антистатик;

3смазывайте волосы специальными средствами и выбирайте фен со встроенным ионным излучателем;

4если у вас в квартире кондиционер, дополните его увлажнителем воздуха;

5брейте ноги, это серьезно уменьшает риск скопления заряда.

Если приемы не сработали, есть способ быстро избавиться от напряжения. Одной рукой коснитесь заземленной поверхности – трубы или радиатора отопления, а в другой сожмите металлический предмет – скажем, связку ключей.

Елена Стрижакова, Детский центр научных открытий «ИнноПарк»

О «Физике города»

Каждый день, просыпаясь утром, мы погружаемся в город, полный фактур, звуков и красок. Пока мы идем на работу и гуляем в парке, нам в голову приходит миллион вопросов о том, как же все вокруг нас устроено в этом огромном мегаполисе. Почему под нами дрожит земля, когда под нами проезжает поезд метро? И может ли в Москве произойти землетрясение? Какими видят нас люди из космоса?

Мы предложили коллегам из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» дать ответы на наши вопросы и разъяснить, сколько велосипедистов нужно для освещения столицы, какие оптические иллюзии можно увидеть в городе и как начать экономить энергию, не выходя из дома. Так появился проект «Физика города». Новые вопросы и новые ответы ищите на нашем сайте по понедельникам и четвергам.

Основы статического электричества | OPW Retail Fueling EMEA

Как возникает статическое электричество?

При движении топлива с низкой проводимостью, например бензина, в непроводящих трубах образуется заряд статического электричества. Отрицательные заряды накапливаются на стенке трубы, а положительные остаются в протекающем топливе. Такое разделение зарядов происходит так же, как при трении двух непроводящих материалов.

Попытайтесь потереть воздушный шар о кожу или волосы, и получите электростатический заряд.

Поскольку в непроводящей трубе заряды не рассеиваются и не отводятся, они накапливаются на стенке трубы. Увеличению зарядов способствуют низкая проводимость топлива, высокая скорость потока, турбулентность в коленах, пламегасители, фильтры и т.д., а также наличие загрязнений в топливе. Тестирование непроводящих трубопроводов показало возможность накопления зарядов до 90000 В.

Нажмите, чтобы просмотреть анимационный ролик об образовании заряда — Принцип 1

Заряды распределяются по стенке трубы неравномерно, в зависимости от потока топлива и турбулентности в трубе. Разряды происходят между стенкой трубы и заземленным предметом (металлический фланец или аналогичное оборудование), между стенкой трубы и топливом, или между разнозаряженными зонами стенки трубы.

Разряд может привести к возгоранию воспламеняемой среды в трубе. Известно о возникновении таких ситуаций на конце сливных труб в сливной точке

Заряды в трубе также создают электростатическое поле вокруг трубы. Незаземленные проводящие предметы в этом поле получают наведенный электростатический потенциал. То есть, у фланцев, стяжных хомутов и прочих предметов снаружи трубы может быть опасный потенциал при отсутствии правильного соединения и заземления. Разряды могут происходить между этими и проводящими предметами с другим потенциалом: заземленными предметами, инструментами или людьми.

Нажмите, чтобы просмотреть анимационный ролик об электростатической индукции — Принцип 2

Проводящий трубопровод рассеивает статические заряды

В токопроводящей системе поток топлива создает меньше зарядов, а создаваемые заряды сразу устраняются заземлением.

Нажмите, чтобы просмотреть анимационный ролик рассеивания заряда в токопроводящей трубе

Статическое электричество в промышленной автоматизации, АСУ ТП

3.1.4. Статическое электричество

Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах. Величина заряда зависит от скорости движения трущихся тел, их материала и величины поверхности соприкосновения. Примерами трущихся тел могут быть:

• ременный привод;
• лента конвейера;
• синтетическая одежда и обувь на теле человека;
• поток непроводящих твердых частиц (пыли), газа или воздуха через сопло;
• движение непроводящей жидкости, заполняющей цистерну;
• автомобильные шины, катящиеся по непроводящей дороге;
• резиновые ролики под стульями, когда стулья перемещаются по непроводящему полу.

Человек, идущий по синтетическому ковру, может приобрести на теле потенциал 15 кВ относительно земли и окружающих предметов [Эрглис], рис. 3.67.

Ременный привод, состоящий из диэлектрического ремня и двух шкивов, является наиболее общим примером генератора статического электричества. Потенциал статического заряда на ремне может достигать 60…100 кВ и пробиваемый воздушный промежуток — 9 см. Поэтому на взрывоопасных производствах (элеваторы, мельницы) ремни используют с проводящими присадками или металлизацией.

Для снятия зарядов с ремней и других электризующихся предметов используют заземленный подпружиненный металлический гребешок или щетку, которые касаются движущейся поверхности. ленты электризуются хуже ременного привода вследствие низкой скорости движения.

Вторым способом борьбы со статическим электричеством является применение увлажнителя воздуха в помещении для получения влажности выше 50% (см. рис. 3.67).

Для уменьшения зарядов на теле человека используют заземление запястья работников, электропроводные полы, электропроводную одежду, увлажнение воздуха.

Электростатический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое при достижении напряженности поля пробоя изоляции вызывает электростатический разряд. Разряд представляет собой импульсный перенос заряда между телами с разными потенциалами. В результате протекания тока разряда по проводникам появляется кондуктивная помеха, во время разряда излучается электромагнитный импульс, а пробой изоляции может привести к потере работоспособности электронных устройств.

Рис. 3.67. Максимальное напряжение, до которого может быть заряжен человек при контакте с указанными материалами (ГОСТ Р 51317.4.2)	Рис. 3.68. Форма разрядного тока испытательного пистолета (ГОСТ Р 51317.4.2)

Форма импульса, которым испытываются электронные устройства на устойчивость к электростатическим разрядам, и приближенно соответствующая форме импульса в реальных условиях эксплуатации приборов, приведена на рис.

3.68. Величина перетекающего заряда определяется емкостью заряженного тела. Напряжение при испытаниях устанавливается в зависимости от степени жесткости испытаний от 2 до 8 кВ при контактном разряде и до 15 кВ при воздушном (табл. 3.24). Воздушный разряд более приближен к реальности, но он трудно воспроизводим, поэтому при испытаниях используют также и контактный разряд.

Табл. 3.24. Величина испытательного напряжения
Контактный разряд		Воздушный разряд
Степень жесткости	Испытательное напряжение, кВ	Степень жесткости	Испытательное напряжение, кВ
1	2	1	2
2	4	2	4
3	6	3	8
4	8	4	15

Результатом возникновения статических электрических зарядов может быть пробой входных каскадов измерительных систем, появление линий на CRT (Cathode Ray Tube) мониторах, перевод триггеров в другое состояние, поток ошибок в цифровых системах, пробой изоляции гальванически изолированных цепей, воспламенение взрывоопасной смеси, электромагнитный импульс, кондуктивная помеха от импульса тока, возникающего во время разряда.

Для защиты систем автоматики от сбоев используют электростатические экраны, соединенные с экранным заземлением, преобразователи интерфейсов с защитой от статического электричества (например, преобразователь интерфейсов NL-232C фирмы Reallab! имеет защиту от статических зарядов с потенциалом до ±8 кВ по стандарту IEC1000-4-2).

В параметрах устройств автоматики иногда указывают величину напряжения, которым испытывались входные, выходные и интерфейсные цепи на воздействие электростатического заряда.

3.1.5. Помехи через кондуктивные связи

Кондуктивные связи (от слова «conductor» — «проводник») — это связи через электропроводную среду, например, через общую шину заземления или по влажной поверхности диэлектрика. Их источниками являются соседние электрические цепи (см. раздел «Паразитные кондуктивные связи»).

3.1.6. Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи создаются проводниками, по которым течет переменный электрический ток или между которыми имеется переменное напряжение. Помеха может существовать в виде электромагнитной волны, когда расстояние от источника помехи до приемника превышает длину волны , или в виде преобладающего электрического или магнитного поля около источника. Если расстояние до излучаемого элемента (антенны) превышает , такое электромагнитное поле называют полем дальней зоны, в противоположном случае — полем ближней зоны.

Рис. 3.69. Наведение электромагнитной помехи через взаимную индуктивность и магнитопровод

В ближней зоне моделью передачи помехи является емкостная или индуктивная связь, в дальней зоне — модель распространения радиоволн от передающей к приемной антенне. Излученная мощность прямо пропорциональна квадрату частоты. Поэтому, например, на частоте 50 Гц излучения практически нет и помеха передается через емкостную или индуктивную связь.

Источником электромагнитного поля помехи может быть радиомодем, радио- или сотовый телефон, радиоретранслятор, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящимися щетками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, телевизионные и радиостанции, цифровая часть измерительной системы, реле регулятора, космическое коротковолновое излучение, удар молнии и др.

Источником электромагнитной помехи может быть и сама системы автоматики, содержащая компьютер, реле, тиристоры, мощные выходы дискретных модулей. Сильным источником электромагнитных помех являются оптоволоконные передатчики, поскольку они потребляют большой ток и работают на высоких частотах. Излучаются такие помехи с помощью случайных проводников, образующих дипольную или рамочную антенну. Дипольная антенна является источником преимущественно электрического поля в ее окрестности, рамочная - источником магнитного поля. Вдали от таких источников доминирующего поля нет, есть поперечная электромагнитная волна. Реальные системы образуют множество излучающих антенн, состоящих из проводов, кабелей и различных металлических поверхностей.

Помехи с частотой выше 100 кГц находятся обычно за границей частотного диапазона измерительных систем, однако высокочастотные помехи могут быть нежелательным образом выпрямлены или перенесены в область более низких частот с помощью нелинейных характеристик диодов и транзисторов, расположенных на измерительной плате и внутри микросхем.

Наводятся электромагнитные помехи на всех проводящих предметах, которые в рассматриваемом случае играют роль антенн. Мощность наведенной помехи зависит от площади контура, охваченного проводником и его сопротивления. Помеха, наведенная в «антенне», кондуктивным путем может передаваться в сигнальные цепи или цепи заземления, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.

Наиболее распространенным приемником электромагнитных помех являются длинные провода: цепи заземления, промышленные сети (полевые шины), кабели, соединяющие датчики и модули аналогового ввода, кабели информационных коммуникаций. Подробнее о защите кабелей систем автоматизации от электромагнитных помех см. [Денисенко]. «Замаскированными» приемниками электромагнитных помех являются металлические конструкции в зданиях: металлические стеллажи, окна с металлической рамой, трубы водоснабжения и отопления здания, защитное контурное заземление здания.

Рис. 3.70. Изменение направления магнитного поля через промежуточный короткозамкнутый виток

Основным методом борьбы с электромагнитными наводками является уменьшение площади контура, принимающего помеху, и применение дифференциального способа передачи сигнала в сочетании с витыми парами проводов. Однако даже в контуре с маленькой площадью может наводиться большая помеха, если при монтаже допустить ошибку, показную на рис. 3.69: в железной раме стеллажа (стола или другой конструкции), выполняющей роль магнитопровода, от источника тока наводится магнитное поле помехи , которое наводит напряжение во втором витке провода. Два витка и сердечник в этом примере образуют трансформатор с ферромагнитным сердечником.

Второй аналогичный эффект иллюстрируется рис. 3.70: ток взаимной индукции, протекая через короткозамкнутый виток, создает магнитное поле, которое наводит э. д. с. в соседнем контуре. Отметим, что в данном примере короткозамкнутый виток изменяет направление магнитного поля, поэтому помеха может наводиться и в плоскости, перпендикулярной плоскости контура тока молнии . Множество короткозамнутых витков существует в металлической решетке железобетонной конструкции здания.

3.1.7. Другие типы помех

В измерительных цепях, находящихся в состоянии движения (вибрации), источником помех может быть трибоэлектричество, возникающее при трении тел из различных материалов, а также пьезоэлектричество и эффект электростатического или электромагнитного микрофона.

Методы борьбы с помехами такого типа сводятся к закреплению и механическому демпфированию движущихся частей электрической схемы.

В системах с очень высокой чувствительностью могут наблюдаться паразитные напряжения, вызванные термоэлектрическим эффектом в контактах разнородных металлов (например, медь и оловянно-свинцовый припой). Эти источники помех опасны тем, что встречаются редко, поэтому о них часто забывают.

Статическое электричество: опасность и меры защиты. Часть 1

Интенсивность возникновения зарядов в технологическом оборудовании определяется физико-химическими свойствами перерабатываемых веществ и материалов, из которых изготовлено оборудование, а также параметрами технологического процесса.

В случае разности потенциалов 300 В искровой разряд способен воспламенить почти все горючие газы, а когда разность потенциалов достигнет 5000 В, то и большую часть горючих пылей.

Так, например, при движении приводного ремня со скоростью 15 м/с разряд может достичь 80 кВ (при движении прорезиненной ленты транспортера — до 45 кВ, протекании бензина по стальным трубам — до 3,6 кВ). При движении автомобиля по бетонной дороге — до 3 кВ (вследствие скольжения колес и ударов частиц песка и гравия о металлические части кузова).

Искра, возникшая из-за разряда статического электричества, явилась, возможно, тем последним доводом, который окончательно склонил чашу весов в пользу самолетов в их споре с дирижаблями за господство в воздухе в конце 30-х годов прошлого века. Во всяком случае, попытки использования дирижаблей в качестве пассажирского воздушного транспорта прекратились как раз после гибели гигантского дирижабля от пожара, вызванного электрическим разрядом (г. Нью-Йорк, 1937 г.). Однако и самолеты подвержены воздействию статического электричества, возникающего на них в результате взаимодействия с жидкими и твердыми частицами облаков и осадков.

С увеличением скорости самолетов острота данной проблемы только возрастала: выяснилось, что ток, заряжающий самолет при полете в облаках и осадках, растет с увеличением скорости значительно сильнее, чем разряжающий ток. На самолетах наблюдались электрические разряды разных форм и связанные с этим явлением электромагнитные помехи и повреждения элементов конструкции. При заряжении самолета статическим электричеством резко возросла опасность поражения его молнией. По имеющимся оценкам, вероятность прямого поражения самолета молнией во время полета в грозовом облаке составляет 10-4, т.е. из 10000 пролетов через облако молния в одном случае почти всегда попадает в самолет. Когда самолет электрически заряжен, эта вероятность на два порядка выше: один случай поражения молнией приходится уже на 100 пролетов через облако. Заряженный самолет, таким образом, инициирует молнию, вызывая разряд атмосферного электричества на себя. Это не удивительно, если учесть, что потенциал самолета относительно окружающей среды может достигать полутора миллионов вольт!

Также известны случаи, когда по причине электростатических разрядов происходили серьезные аварии и пожары на технологических установках нефтепереработки, резервуарах и емкостях с горючими жидкостями и газами (Россия, Япония), отмечались жалобы персонала на неприятные ощущения и ухудшение самочувствия в работе.

 

Защита от статического электричества

 

В каждой организации в соответствующие технологические инструкции или инструкции по охране труда, видам работ и пожарной безопасности должны быть включены пункты по защите от статического электричества и эксплуатации устройства защиты от статического электричества.

Опасность действия статического электричества должна устраняться специальными мерами, которые создают утечку электростатических зарядов, предотвращающих накопление энергии заряда выше уровня 0,4 А/мин, или создают условия, исключающие возможность образования взрывоопасной концентрации взрывоопасной смеси (например, вытеснение горючей смет инертным газом).

Как снять статическое электричество? Методы от «Юман» как снять статику на производстве

Скачать статью

Возникновение напряжения в десятки и сотни киловольт неизбежно на любом производстве, связанном с рулонными материалами. Намотка или размотка бумаги, фольги, плёнки, текстильной ткани с высокой скоростью влечёт за собой накапливание свободного электрического заряда, являющегося угрозой и для работников, и для оборудования — электростатика может серьёзно повредить обрабатываемый материал, спровоцировать опасные ситуации и даже стать причиной серьёзного пожара.

Основные причины возникновения статического электричества на производстве: 

• Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).
• Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
• Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи и иные электрические поля (нетипичные для промышленных производств).
• Резка рулонного материала (например, на бобинорезательных машинах)
• Влияние электрического поля.

Нейтрализация статического электричества — одна из первоочередных производственных задач, от решения которой зависит как безопасность на предприятии, так и весь промышленный процесс.

Компания «Юман» представляет несколько вариантов ответов на вопрос «как устранить статику»: 

Активные методы нейтрализации статики:

Разряжающие электроды (планки), блоки питания, системы BASIX, SDS, RX3 IONSTAR, STATICJET RX21, ионизирующие пистолеты, сопла, головки, устройства для взрывоопасных зон — комплексные решения от немецкой компании Eltex Elektrostatik GmbH для превосходной нейтрализации электростатического заряда.

Пассивные методы нейтрализации статики:

Антистатические шнур и щётки — простое и экономичное решения для снятия статики.

ООО «Юман» является поставщиком антистатического оборудования и других аксессуаров, снимающих электростатическое напряжение при работе с рулонными материалами и предохраняющих работников от вредного влияния электростатики.

Статическое электричество — это… Что такое Статическое электричество?

Стати́ческое электри́чество — совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках^[1].

Волосы девочки наэлектризовались от трения.

Происхождение

Электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия атомных и молекулярных сил (из-за различия работы выхода электрона из материалов). При этом происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах ещё и ионов) с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоёв с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы и молекулы одного вещества, обладающие более сильным притяжением, отрывают электроны от другого вещества.

Полученная разность потенциалов соприкасающихся поверхностей зависит от ряда факторов — диэлектрических свойств материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажности и температуры поверхностей этих тел, климатических условий. При последующем разделении этих тел каждое из них сохраняет свой электрический заряд, а с увеличением расстояния между ними за счет совершаемой работы по разделению зарядов, разность потенциалов возрастает и может достигнуть десятков и сотен киловольт.

Электрические разряды могут взаимно нейтрализоваться вследствие некоторой электропроводности влажного воздуха. При влажности воздуха более 85 % статическое электричество практически не возникает.

Статическое электричество в быту

Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить электрический заряд минус, а ковер получит заряд плюс. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причесывания получает минус заряд, а волосы получают плюс заряд. Накопителем минус-заряда зачастую являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда зачастую является сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.

Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлического предмета, например трубы отопления или холодильника, накопленный заряд моментально разрядится, а человек получит легкий удар током.

Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчесывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.^[2]

С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.

Молнии

В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и землей. При достижении определенной разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками или на земле. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.

Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.

↖ ↑ ↗

Примечания

См. также

Ссылки

Статическое электричество — Энциклопедия пожарной безопасности

Статическое электричество – совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда (см. Электростатический заряд) на поверхности или в объёме диэлектриков, или на изолированных проводниках. Термин «Статическое электричество» распространяется также на совокупность явлений, обусловленных связанными положительными и отрицательными электростатическими зарядами, и на явления, обусловленные преобразованием различных видов энергии в энергию электростатического поля. Понятие «Статическое электричество» не следует отождествлять с электростатикой, отражающей взаимодействие неподвижных электрических зарядов. С этим понятием связано развитие электронной и ионной оптики, информационных, космических, оборонных технологий, и т.п.

В обеспечении пожарной безопасности с понятием «Статическое электричество» связаны молниезащита и электростатическая искробезопасность (ЭСИБ). Направление молниезащиты (см. также Молния, Молниезащита) связано с опасными проявлениями статического электричества в атмосфере. В зонах грозовой деятельности разряды молний переносят преимущественно отрицательный электростатический заряд к земной поверхности, благодаря чему Земля заряжается отрицательно и существует электростатическое поле спокойной атмосферы примерно 100 В/м у земной поверхности. Направление ЭСИБ связано с опасными проявлениями статического электричества, обусловленными действием электростатических генераторов в объёмах машин и аппаратов, оборудования, одежды, бытовой обстановки. Опасность взрывов и пожаров от разрядов статического электричества следует учитывать при применении струи воды под давлением, при её распылении и применении огнетушителей.
Требования норм, регламентирующих проявления статического электричества в области охраны труда, жизни и здоровья человека, следует учитывать при разработке техники, технологических процессов, одежды и при тушении пожаров.

Литература: Верёвкин В.Н., Смелков Г.И., Черкасов В.Н. Электростатическая искробезопасность и молниезащита. М., 2006.

Как работает статическое электричество?

Ответ

Нарушение баланса между отрицательными и положительными зарядами в объектах.

Две девочки «электрифицированы» во время эксперимента в Центре науки о свободе «Кэмп-ин», 5 февраля 2002 г. «История Америки», Библиотека Конгресса.

Вы когда-нибудь шли через комнату, чтобы погладить свою собаку, но вместо этого получали шок? Возможно, вы сняли шляпу в засушливый зимний день и испытали на себе «волосы дыбом»! Или, может быть, вы прилепили воздушный шарик к стене после того, как потерлись им о свою одежду?

Почему это происходит? Это волшебство? Нет, это не волшебство; это статическое электричество!

Прежде чем понять статическое электричество, нам сначала нужно понять основы атомов и магнетизма.

Молодой человек сидит рядом с машиной электростатического воздействия Хольца, Колледж Дикинсона, 1889 год. Каталог эстампов и фотографий, Библиотека Конгресса.

Все физические объекты состоят из атомов. Внутри атома находятся протоны, электроны и нейтроны. Протоны заряжены положительно, электроны заряжены отрицательно, а нейтроны нейтральны.

Следовательно, все состоит из зарядов. Противоположные заряды притягиваются друг к другу (от отрицательного к положительному).Подобные заряды отталкиваются друг от друга (от положительного к положительному или от отрицательного к отрицательному). В большинстве случаев положительный и отрицательный заряды уравновешиваются в объекте, что делает его нейтральным.

Статическое электричество является результатом дисбаланса между отрицательными и положительными зарядами в объекте. Эти заряды могут накапливаться на поверхности объекта, пока не найдут способ высвободиться или разрядиться. Один из способов разрядить их — через цепь.

Группа молодых женщин, изучающих статическое электричество в обычной школе, Вашингтон, округ Колумбия. К. Фрэнсис Бенджамин Джонстон, фотограф, около 1899 г. Отдел эстампов и фотографий, Библиотека Конгресса

При трении определенных материалов друг о друга могут передаваться отрицательные заряды или электроны. Например, если вы потереть обувь о ковер, ваше тело собирает лишние электроны. Электроны цепляются за ваше тело до тех пор, пока их не освободят. Когда вы дотрагиваетесь до своего пушистого друга, вы испытываете шок. Не волнуйтесь, это только избыточные электроны, которые вы передаете своему ничего не подозревающему питомцу.

А как насчет того опыта «пробуждения волос»? Когда вы снимаете шляпу, электроны переходят от шляпы к волосам, создавая интересную прическу! Помните, объекты с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Поскольку у них одинаковый заряд, у вас волосы встанут дыбом. Ваши волосы просто пытаются уйти как можно дальше друг от друга!

Морской пехотинец использует жезл статического разряда для снятия избыточного статического электричества перед тем, как прикрепить гаубицу M777 к вертолету CH-53E Super Stallion во время комплексной тренировки с перегрузкой в ​​базовом лагере морской пехоты Пендлтон, 12 апреля 2017 года. Капрал Фрэнк Кордова, фотограф. Галерея изображений Министерства обороны США

Когда вы трут воздушный шар о свою одежду, и он прилипает к стене, вы добавляете избыток электронов (отрицательные заряды) на поверхность воздушного шара. Стена теперь заряжена более положительно, чем воздушный шар. Когда они соприкасаются, воздушный шар будет прилипать из-за правила притяжения противоположностей (от положительного к отрицательному).

Дополнительные сведения о статическом электричестве и экспериментах см. В разделах «Интернет-ресурсы» и «Дополнительная литература».

ВМС США выпускают пороховые фляги из латуни для предотвращения случайного воспламенения пороха из-за искр или статического электричества. Поле битвы в Уилсон-Крик, 2010 г. Служба национальных парков США, NP Gallery

Опубликовано: 19.11.2019. Автор: Справочная секция по науке, Библиотека Конгресса

Статическое электричество | Основные понятия электричества

Столетия назад было обнаружено, что определенные типы материалов загадочным образом притягиваются друг к другу после того, как их натерли друг на друга. Например, если протереть кусок шелка о кусок стекла, шелк и стекло будут иметь тенденцию слипаться. Действительно, сила притяжения могла быть продемонстрирована, даже когда два материала были разделены:

Стекло и шелк — не единственные материалы, которые, как известно, ведут себя подобным образом. Любой, кто когда-либо касался латексного шара только для того, чтобы обнаружить, что он пытается прилипнуть к нему, испытал то же самое явление. Парафин и шерстяная ткань — еще одна пара материалов, которые ранние экспериментаторы признали проявляющими силу притяжения после трения друг о друга:

Это явление стало еще более интересным, когда было обнаружено, что идентичные материалы после протирания их соответствующей тканью всегда отталкивают друг друга:

Также было отмечено, что когда кусок стекла, натертый шелком, подвергается воздействию куска воска, натертого шерстью, два материала будут притягиваться друг к другу:

Кроме того, было обнаружено, что любой материал, демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания после трения, может быть отнесен к одной из двух различных категорий: притягиваемый к стеклу и отталкиваемый воском или отталкиваемый стеклом и притягиваемый воском. Было либо одно, либо другое: не было обнаружено материалов, которые могли бы притягиваться или отталкиваться как стеклом, так и воском, или которые реагировали бы на одно, не реагируя на другое.

Больше внимания уделялось кускам ткани, используемой для растирания. Было обнаружено, что после протирания двух кусков стекла двумя кусками шелковой ткани не только кусочки стекла отталкивались друг от друга, но и ткани. То же самое произошло с кусочками шерсти, которыми натирали воск:

Это было действительно странно наблюдать.В конце концов, ни один из этих предметов не претерпел видимых изменений в результате трения, но они определенно вели себя иначе, чем до того, как их натерли. Какое бы изменение ни произошло, заставив эти материалы притягивать или отталкивать друг друга, было незаметно.

Некоторые экспериментаторы предположили, что невидимые «жидкости» переходили от одного объекта к другому в процессе трения и что эти «жидкости» были способны воздействовать на физическую силу на расстоянии. Чарльз Дюфай был одним из первых экспериментаторов, которые продемонстрировали, что существует определенно два разных типа изменений, вызванных трением определенных пар предметов друг о друга.Тот факт, что в этих материалах проявилось более одного типа изменений, был очевиден тем фактом, что были созданы два типа сил: притяжения и отталкивания . Гипотетический перенос жидкости стал известен как заряд .

Один исследователь-новатор, Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что между натертыми предметами происходил обмен только одной жидкостью, и что два разных «заряда» были не чем иным, как избытком или недостатком этой жидкости.После экспериментов с воском и шерстью Франклин предположил, что грубая шерсть удаляет часть этой невидимой жидкости из гладкого воска, вызывая избыток жидкости на шерсти и недостаток жидкости на воске. Возникающее в результате несоответствие содержания жидкости между шерстью и воском могло вызвать силу притяжения, поскольку жидкость пыталась восстановить прежний баланс между двумя материалами.

Постулирование существования единой «жидкости», которая была получена или потеряна в результате трения, лучше всего объясняло наблюдаемое поведение: все эти материалы аккуратно попадали в одну из двух категорий при трении и, что наиболее важно, что два активных материала трулись о друг друга всегда попадали в противоположные категории , о чем свидетельствует их неизменное влечение друг к другу.Другими словами, никогда не было времени, когда два материала терлись друг о друга. и становились либо положительными, либо отрицательными.

После предположения Франклина о том, что шерсть что-то стирает с воска, тип заряда, который был связан с натертым воском, стал известен как «отрицательный» (поскольку предполагалось, что он имеет недостаток жидкости), в то время как тип заряда, связанный с натирание шерсти стало называться «положительным» (поскольку предполагалось, что в ней будет избыток жидкости).Он и не подозревал, что его невинное предположение в будущем вызовет много путаницы у изучающих электричество!

Точные измерения электрического заряда были выполнены французским физиком Шарлем Кулоном в 1780-х годах с помощью устройства, называемого крутильными весами , для измерения силы, создаваемой между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к разработке единицы электрического заряда, названной в его честь, кулонов .Если бы два «точечных» объекта (гипотетические объекты, не имеющие заметной площади поверхности) были бы одинаково заряжены величиной в 1 кулон и поместили на расстоянии 1 метра (примерно 1 ярд) друг от друга, то они генерировали бы силу около 9 миллиардов ньютонов (примерно 2 миллиарда фунтов), либо притягивая, либо отталкивая в зависимости от типа задействованных зарядов. Рабочее определение кулона как единицы электрического заряда (в терминах силы, генерируемой между точечными зарядами) оказалось равным избытку или недостатку примерно в 6 250 000 000 000 000 000 электронов.Или, говоря наоборот, один электрон имеет заряд около 0,00000000000000000016 кулонов. Поскольку один электрон является наименьшим известным носителем электрического заряда, последняя величина заряда электрона определяется как элементарный заряд .

Гораздо позже было обнаружено, что эта «жидкость» на самом деле состоит из очень маленьких кусочков материи, названных электронами , названных так в честь древнегреческого слова, обозначающего янтарь: еще один материал, проявляющий заряженные свойства при трении тканью.

Состав атома

Эксперименты с тех пор показали, что все объекты состоят из чрезвычайно маленьких «строительных блоков», известных как атомов , и что эти атомы, в свою очередь, состоят из более мелких компонентов, известных как частиц . Три основных частицы, составляющие большинство атомов, называются протонами , нейтронами и электронами . Хотя большинство атомов состоит из протонов, нейтронов и электронов, не все атомы имеют нейтроны; Примером является изотоп протия (1h2) водорода (Водород-1), который является самой легкой и наиболее распространенной формой водорода, которая имеет только один протон и один электрон.Атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но если бы мы могли взглянуть на один, он мог бы выглядеть примерно так:

Несмотря на то, что каждый атом в куске материала имеет тенденцию держаться вместе как единое целое, на самом деле между электронами и кластером протонов и нейтронов, находящимся посередине, остается много пустого пространства.

Эта грубая модель представляет собой элемент углерода с шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами. В любом атоме протоны и нейтроны очень прочно связаны друг с другом, что является важным качеством.Плотно связанный сгусток протонов и нейтронов в центре атома называется ядром , и количество протонов в ядре атома определяет его элементарную идентичность: измените количество протонов в ядре атома, и вы измените тип атома, который он есть. Фактически, если вы могли бы удалить три протона из ядра атома свинца, вы осуществили бы мечту старых алхимиков о создании атома золота! Тесное связывание протонов в ядре отвечает за стабильную идентичность химических элементов и неспособность алхимиков осуществить свою мечту.

Нейтроны гораздо меньше влияют на химический характер и идентичность атома, чем протоны, хотя их так же трудно добавить в ядро ​​или удалить из него, поскольку они так прочно связаны. Если добавлены или получены нейтроны, атом все равно сохранит ту же химическую идентичность, но его масса немного изменится, и он может приобрести странные ядерные свойства , такие как радиоактивность.

Однако электроны обладают значительно большей свободой передвижения в атоме, чем протоны или нейтроны.Фактически, они могут быть выбиты из своего положения (даже полностью покинув атом!) С гораздо меньшей энергией, чем та, которая требуется для смещения частиц в ядре. Если это произойдет, атом по-прежнему сохраняет свою химическую идентичность, но возникает важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны тем, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это притяжение на расстоянии вызывает притяжение между натертыми объектами, когда электроны удаляются от своих первоначальных атомов и находятся вокруг атомов другого объекта.

Электроны имеют тенденцию отталкивать другие электроны на расстоянии, как и протоны с другими протонами. Единственная причина, по которой протоны связываются вместе в ядре атома, заключается в гораздо большей силе, называемой сильной ядерной силой , которая действует только на очень коротких расстояниях. Считается, что из-за такого поведения притяжения / отталкивания между отдельными частицами электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон — положительный.В равных количествах внутри атома они противодействуют присутствию друг друга, так что общий заряд внутри атома равен нулю. Вот почему в изображении атома углерода шесть электронов: чтобы уравновесить электрический заряд шести протонов в ядре. Если электроны уйдут или появятся дополнительные электроны, общий электрический заряд атома будет разбалансирован, в результате чего атом останется «заряженным» в целом, заставив его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны не притягиваются и не отталкиваются электронами, протонами или даже другими нейтронами и, следовательно, классифицируются как не имеющие никакого заряда.

Процесс прибытия или ухода электронов — это именно то, что происходит, когда определенные комбинации материалов трются друг о друга: электроны от атомов одного материала вынуждаются трением покинуть свои соответствующие атомы и переходить к атомам другого материала. Другими словами, электроны составляют «жидкость», выдвинутую Бенджамином Франклином.

Что такое статическое электричество?

Результат дисбаланса этой «жидкости» (электронов) между объектами называется статическим электричеством .Это называется «статическим», потому что смещенные электроны стремятся оставаться неподвижными после перемещения из одного изоляционного материала в другой. В случае воска и шерсти путем дальнейших экспериментов было установлено, что электроны в шерсти фактически передаются атомам воска, что прямо противоположно гипотезе Франклина! В честь того, что Франклин назвал заряд воска «отрицательным», а заряд шерсти «положительным», электроны, как говорят, обладают «отрицательным» зарядным влиянием.Таким образом, объект, атомы которого получили избыток электронов, называется отрицательно заряженным , в то время как объект, атомы которого испытывают недостаток электронов, называется положительно заряженным , как бы сбивает с толку эти обозначения. К тому времени, когда была открыта истинная природа электрической «жидкости», номенклатура электрического заряда Франклина была слишком хорошо установлена, чтобы ее можно было легко изменить, и так остается по сей день.

Майкл Фарадей доказал (1832 г.), что статическое электричество такое же, как у батареи или генератора.Статическое электричество по большей части доставляет неудобства. В черный порох и бездымный порох добавлен графит для предотвращения возгорания из-за статического электричества. Это вызывает повреждение чувствительных полупроводниковых схем. Хотя возможно производство двигателей с питанием от статического электричества с высоким напряжением и низким током, это неэкономично. Немногочисленные практические применения статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр и высоковольтный генератор Ван де Граафа.

ОБЗОР:

• Все материалы состоят из крошечных «строительных блоков», известных как атомов .
• Все встречающиеся в природе атомы содержат частицы, называемые электронами , протонами и нейтронами , за исключением изотопа протия ( ₁ H ¹ ) водорода.
• Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
• Протоны имеют положительный (+) электрический заряд.
• Нейтроны не имеют электрического заряда.
• Электроны удаляются из атомов намного легче, чем протоны или нейтроны.
• Количество протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникального элемента.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Знакомство со статическим электричеством | Давайте поговорим о науке

Статическое электричество

Вы, наверное, почувствовали статическое электричество. Это вызывает тот небольшой шок, который вы можете получить, когда впервые прикоснетесь к дверной ручке. От него волосы также могут встать дыбом, когда вы снимаете колпачок зимой.Но знаете ли вы, почему это происходит?

Наука о статическом электричестве (2015) TED-Ed (3:38 мин.).

Вся материя состоит из атомов или групп атомов, называемых молекулами . В центре каждого атома находится ядро ​​. Внутри ядра находятся частицы с положительным зарядом (+) и частицы с нулевым зарядом. Протоны с положительным зарядом называются протонами , а с нулевым зарядом — нейтронами .Частицы с отрицательным зарядом (-), , называемые электроном, , вращаются вокруг ядра.

Части атома гелия (давайте поговорим о науке, используя изображение от VectorMine через iStockphoto).

Обычно предметы и материалы вокруг нас электрически нейтральны . Это означает, что у них нет ни положительного, ни отрицательного заряда. Это потому, что они имеют равное количество положительных зарядов от протонов и отрицательных зарядов от электронов.

Знаете ли вы?
Исследование электрических зарядов в состоянии покоя называется электростатикой .

Но можно дать нейтральному материалу электрический заряд. Один из способов сделать это — потирать два предмета друг о друга.

Когда вы спускаетесь по слайду, электроны переходят от вас к слайду. Это заставляет ваши волосы иметь больше положительного заряда. Объекты с одинаковым зарядом отталкивают друг друга. Итак, каждый ваш волосок пытается оттолкнуть своего соседа.Иногда это означает, что ваши волосы будут стоять прямо вверх!

То же самое происходит, когда вы трут воздушный шар о волосы или одежду, особенно в сухую погоду. После этого попробуйте повесить воздушный шарик на стену и посмотреть, как долго он будет держаться! Потирая, вы перемещаете электроны от себя к воздушному шару. Он прилипает, потому что воздушный шар заряжен более отрицательно, чем стена. Предметы с противоположными зарядами притягиваются друг к другу на .

Если спуститься с горки или потереться о волосы воздушным шариком, электроны могут двигаться (Источники: Эрика Финстад через iStockphoto и: HappyKids через iStockphoto).

Но почему заряженные частицы отталкиваются или притягиваются друг к другу? Потому что они могут создавать вокруг себя силу. Это называется электрической силой . Область вокруг частицы, на которую действует эта сила, называется электрическим полем . Мы можем показать, как выглядит электрическое поле, нарисовав картинки со стрелками, которые называются линиями поля . Вы можете увидеть примеры на картинках ниже.

Силовые линии электрического поля всегда направлены в сторону от положительных зарядов. Но они указывают на отрицательные заряды.Если частицы имеют противоположные заряды, их силовые линии направлены друг к другу. Если частицы имеют одинаковый заряд, их силовые линии направлены друг от друга.

Линии поля для частиц с противоположными зарядами слева и с одинаковыми зарядами справа (Источники: Geek3 [CC BY-SA] через Wikimedia Commons и Wikimedia Commons).

Знаете ли вы?
Заряды частиц перемещаются лучше, когда в воздухе присутствует влажность. Это означает, что предметы не имеют возможности накапливать положительный или отрицательный заряд.Но в сухой зимний день может произойти обратное. Вот почему ваши волосы могут выглядеть забавно, когда вы снимаете колпачок!

Если два материала с противоположными зарядами приблизятся друг к другу, они могут вызвать искру. Эта искра — движение электронов по воздуху! Возможно, вы почувствовали это, когда потянулись к дверной ручке после прогулки по ковру.

Мы также видим такой же разряд электричества во время грозы. Мы называем эти запы молнией .

Статическое электричество, более известное как молния, во время грозы (Источник: Кели Блэк через Pixabay).

Во время грозы облака проходят друг мимо друга. Электроны могут прыгать из одного облака в другое. Из-за этого в некоторых облаках могут накапливаться большие положительные или отрицательные электрические заряды. Эти противоположные заряды сильно притягиваются друг к другу. В конце концов они «прыгают» по воздуху, чтобы уравнять счёт. В результате получается эффектная вспышка света.

Молния может случиться внутри облака, между облаками и между облаками и землей.Молния — это самая мощная форма статического электричества, которую вы можете испытать. Вот почему грозы могут быть очень опасными. Помните, когда гремит гром, заходите в дом.

Электростатическая сила

Удар молнии намного сильнее, чем удар, который вы можете почувствовать при прикосновении к дверной ручке! Но почему так?

Мы знаем, что положительный и отрицательный заряды взаимодействуют друг с другом. Но сила этого взаимодействия измеряется величиной электростатической силы .Эта сила вызвана как размером электрических зарядов, так и расстоянием между ними. Давайте посмотрим на это с помощью диаграммы.

Диаграмма, показывающая электростатические силы между положительными и отрицательными зарядами (© 2020 Let’s Talk Science).

Частицы с положительным зарядом обозначены как + q , а частицы с отрицательным зарядом — как -q . Расстояние между частицами обозначено как r. Силы, действующие на заряды, обозначены как F .

Вы можете рассчитать электростатическую силу между двумя частицами, используя Закон Кулона . Это уравнение описывает соотношение между зарядами частиц и расстоянием между ними. Символ k представляет постоянную закона Кулона.

Уравнение закона Кулона

При рассмотрении этого уравнения следует помнить о двух важных вещах.

1. Значения q1 и q2 перемножаются. Итак, если и q1, и q2 положительны, тогда сила будет положительным значением.Частицы будут отталкиваться.

То же самое верно, если и q1, и q2 отрицательны.

Если q1 положительно, а q2 отрицательно, тогда сила будет отрицательной величиной. То же самое верно, если q1 отрицательно, а q2 положительно. Частицы будут притягиваться.

1. Сила пропорциональна квадратному корню из расстояния между частицами. Это означает, что чем ближе частицы друг к другу, тем сильнее будет сила.

Знаете ли вы?
Закон Кулона назван в честь физика Шарля-Огюстена де Кулона.Он доказал свой закон с помощью инструмента, называемого торсионными весами. Он измерял статическую электрическую силу, когда два шара заряженного металла отталкивались или притягивались друг к другу. Кулон, единица электрического заряда, был назван в его честь.

Электростатический заряд — обзор

6.2 Проблемы электростатического заряда в чистых помещениях

Связь между электростатическим зарядом и контролем загрязнения в высокотехнологичных чистых помещениях является сильной и представляет собой значительный источник осаждения частиц на заряженных объектах в чистом помещении.Скорость ESA малых частиц по отношению к заряженным объектам была рассчитана для контролируемой среды ¹ , и было обнаружено, что данные об осаждении частиц, зарегистрированные в чистых помещениях, согласуются с расчетами. ^{2 , 3}

В нескольких исследованиях использовался источник питания высокого напряжения (HV) для смещения одной пластины до напряжения не менее 2 кВ, в то время как другая была электрически соединена с землей. В одном из исследований ³ пластин диаметром 200 мм были подвергнуты воздействию окружающей среды в изолированной части чистого помещения класса 3 ISO.Движение людей через этот район было исключено путем оцепления участка, где проводилось облучение. Чтобы гарантировать получение статистически достоверного образца, использовали время воздействия 6 недель. Пластины сканировали с использованием Tencor Surfscan с пороговым размером частиц 0,2 мкм. Результаты Surfscan показаны на Рисунке 6.1. Хотя количество частиц, наблюдаемых на двух пластинах, не является репрезентативным для реальных уровней загрязнения для обработки полупроводников, отношение количества частиц на нейтральной пластине (3389) к количеству частиц на пластине при напряжении 2000 V (22 764) является точным.В данном случае соотношение составляет 6,7: 1.

Рисунок 6.1. Сравнение загрязнения частицами заряженной (а) и нейтральной (б) кремниевой пластины.

При расчете электростатического загрязнения суммируются компоненты скорости осаждения, обусловленные каждым механизмом осаждения. Скорость осаждения, в широком смысле слова, представляет собой скорость, с которой частицы движутся к поверхности объекта из-за сил, действующих на частицу. Частицы оседают на пластинах, плоских дисплеях, компонентах дисководов и поверхностях оборудования под действием силы тяжести, диффузии и других сил.Высокоэффективная фильтрация воздуха для твердых частиц (HEPA) пытается не допустить попадания частиц в чистое помещение, а ламинарный воздушный поток разработан для минимизации скорости осаждения загрязняющих частиц за счет их захвата воздушным потоком. Даже несмотря на то, что чистое помещение поддерживается на высоком уровне чистоты, частицы по-прежнему образуются в чистом помещении из-за персонала, движения оборудования и процессов.

Силы, действующие на частицу, имеют аэродинамическую (вязкое сопротивление), гравитационную, диффузионную и электростатическую природу.Гравитационные силы уменьшаются по мере уменьшения размера (массы) частицы. Точно так же величина вязкого сопротивления частице также меньше для частиц малого размера. Напротив, величина диффузионных сил больше для более мелких частиц, потому что более высокая эффективность передачи импульса частицам, которые по массе ближе к атомам газа, которые их ударяют.

Расчет ¹ показывает, что сила ESA превышает другие физические силы для условий, обычно присутствующих в чистом помещении.Условия включают поверхностное напряжение в несколько тысяч вольт и частицы в диапазоне от микрометра до субмикрометра. Расчет предполагал, что частицы в воздухе в среднем нейтральны, но имеют распределение зарядов с шириной, которая монотонно связана с общим числом электронов на частице. Таким образом, более крупные частицы могут иметь больший заряд и могут испытывать большие электростатические силы, но при этом они более массивны. Таким образом, скорость осаждения из-за электростатических сил максимальна для определенного размера.

Теоретически повышенное осаждение частиц из-за электростатических сил будет происходить при любом напряжении, но при напряженности поля 200 В / см или более эффекты значительны и легко поддаются измерению. Напряженность поля 4000 В / см или более не редкость в чистых помещениях.

На рис. 6.2 показаны некоторые силы, которые притягивают частицы к поверхности. ⁴ Для мелких частиц (размером 0,01–1,0 мкм) электростатические силы являются основной причиной повышенного осаждения частиц.

Рисунок 6.2. Скорость осаждения как функция диаметра частицы для основных сил, действующих на частицу.

Какой размер частиц можно ожидать в современном высокотехнологичном чистом помещении? Рисунок 6.3 дает некоторое представление о диапазоне ожидаемых размеров. Рисунок показывает, что природа HEPA-фильтра заключается в том, чтобы задерживать практически все частицы, которые падают на него, но что эффективность фильтра самая низкая в субмикрометровом диапазоне (~ 0,1-0,2 мкм). В этом диапазоне размеров и с усилиями, показанными на рисунке 6.2, ожидается, что основной вклад в загрязнение при 500 В / см вносит ESA.

Рисунок 6.3. Эффективность фильтрации в зависимости от размера частиц для двух различных конфигураций фильтров.

Предоставлено Camfil-Farr Corporation, Ривердейл, Нью-Джерси, США.

Насколько важны расчеты и измерения, описанные выше? Является ли ESA важным фактором высокотехнологичного производства? В типичном чистом помещении, используемом в высокотехнологичном производстве, в котором нет программы контроля электростатического заряда, изоляторы в помещении (например,например, сетки, пластины с оксидным покрытием и дисковые накопители) обычно достигают уровней напряжения 5-20 кВ. Таким образом, исходя из данных, представленных выше, большая часть загрязнения вызвана электростатическим зарядом. Часто этот важный фактор остается незамеченным, потому что в чистом помещении очень высокий уровень чистоты. В чистых помещениях класса 3, не соответствующих стандарту ISO, количество «сумматоров частиц» (частиц на проход пластин или PWP) в типичном современном технологическом процессе может составлять всего 0,1 мкм (> 75 нм). В процессе обработки многих слоев продукта это может быть 2-20 частиц, но это очень мало.Если средний уровень статического заряда в процессе составляет всего 500 В из-за того, что в некоторых частях процесса есть статический контроль, поставляемый производителем технологического инструмента, часть загрязнения, вносимая ESA, будет довольно низкой (~ 0,25 -10 частиц). В процессе с такими низкими уровнями загрязнения очень сложно разработать метод измерения вклада одного конкретного источника. Тем не менее, удаление этого источника загрязнения имеет серьезные экономические последствия.Например, мы предполагаем, что только одна из статически притянутых частиц вызывает потери кристалла на 10 полупроводниковых пластинах. Если бы на пластине было 100 штампов, это означало бы потерю выхода 0,1%. Если бы фабрика по производству вафель производила 500 000 пластин в год, это была бы потеря 50 000 штампов в год. С учетом того, что хорошие штампы продаются по цене до 500 долларов США за штуку, это значительная потеря. В действительности, частицы, притягиваемые статическим электричеством, вызывают большие потери, чем использованные в этом примере.

Электростатическое притяжение и его влияние на контроль загрязнения — не единственный отрицательный эффект статического заряда.Как упоминалось ранее, статический заряд вызывает электростатический разряд из-за разряда от одного объекта к другому. Такой разряд может вызвать физическое повреждение продукта, в котором происходит такой разряд, либо из-за электрического перенапряжения, либо из-за повреждения, вызванного выделением энергии разряда (искрой). Электростатический разряд особенно важен в случае сборки дисковода (ручное обращение с магниторезистивными (MR) головками) и в фотолитографии (повреждение сетки, вызванное либо зарядом сетки, либо индуцированными разрядами, вызванными электрическими полями от других заряженных объектов в ближайшая среда).Совсем недавно полупроводниковые пластины с наименьшими размерами элементов (≤ 0,15 мкм) демонстрировали пробивку оксида затвора из-за этапов обработки, которые, как известно, вызывают высокий заряд, таких как очистка и некоторые этапы влажной обработки.

Остающаяся проблема, вызванная электростатическим разрядом, — это неисправность робота. Когда происходит разряд металл-металл, частотная составляющая разряда чрезвычайно высока (~ несколько ГГц). Разряд рассеивает большую часть своей энергии в виде переходных процессов EMI, которые находятся в полосе пропускания микропроцессоров, управляющих роботами.Иногда (~ ежедневно или еженедельно) такая разрядка может привести к тому, что микропроцессор будет выполнять бессмысленные или неверные инструкции. Когда это происходит, робот либо останавливается и отображает сообщение об ошибке, которое трудно интерпретировать, либо, что еще хуже, демонстрирует какое-то странное поведение, например, натыкаясь на стену или пытаясь вставить пластину в неправильное место. Чаще всего такое поведение считается ошибкой программного обеспечения. Хотя это может быть так, проблема также может быть результатом переходных процессов EMI, генерируемых электростатическим разрядом.

Контроль электростатического заряда в чистых помещениях должен предотвращать повреждение продукта, сбои в работе оборудования и ESA, вызванные накоплением заряда.

Секрет статического электричества? Это шокирует | Наука

iStock.com/Richardwlh

Автор: Алекс Фокс, сен.12, 2019, 12:00

Потрите голову воздушным шариком, и волосы встанут дыбом. Практически все это сделали или, по крайней мере, видели. Но даже несмотря на то, что статическое электричество впервые было обнаружено древними греками, ученые до сих пор не знают, почему при трении определенных материалов друг с другом возникает электрический заряд. Теперь у них может быть ответ.

В отличие от электрического тока, протекающего по линии электропередачи, статическое электричество остается неизменным. Это связано с тем, что этот тип электричества (также известный как трибоэлектричество) обычно накапливается в материалах, которые не очень хорошо проводят заряд, таких как резина или пластик, что приводит к его застреванию.Эти изоляторы накапливают статический заряд при трении друг о друга.

В новом исследовании, исследователи изучали другое электрическое явление, называемое флексоэлектричеством, и задавались вопросом, может ли оно объяснить, как трение генерирует статическое электричество. Флексоэлектрический эффект — это спонтанное появление электрических полей во время непрерывного, но непостоянного изгиба или изгиба в наномасштабе, как если бы вы случайно провели пальцем по зубьям пластиковой расчески.

В этом крошечном масштабе даже гладкие объекты изобилуют выступающими частями и бобами.Команда обнаружила, что когда два объекта трутся друг о друга, эти крошечные выступы изгибаются, и из-за флексоэлектрического эффекта это вызывает накопление статического электричества, о чем они сообщают сегодня в журнале Physical Review Letters . Новое объяснение также поясняет, почему изоляторы из одного и того же материала все еще генерируют напряжение при трении друг о друга. Это сбило с толку ученых, которые думали, что накопление статического заряда может быть связано с внутренними различиями между двумя материалами, натертыми друг на друга.

Результаты показывают, что

Пластмассы особенно хорошо генерируют статическое электричество. Это новое понимание может помочь инженерам оптимизировать материалы для производства большего количества статического электричества и использовать его для таких вещей, как зарядка носимых устройств. Полученные данные также могут помочь повысить безопасность в таких местах, как нефтеперерабатывающие заводы, где даже искра может вызвать катастрофический взрыв.

Воздушные шары и статическое электричество — Статическое электричество | Электрические заряды | Электрофорс

MS HS
UG-Intro

Уроки физики на основе алгебры 1 семестр, вопросы для кликеров и расписание в pdf (на основе запросов)			Триш Лёблейн	UG-Intro HS	Lab HW Demo	Физика
Концептуальные вопросы по физике с использованием PhET (на основе запросов)			Триш Лёблейн	UG-Intro HS	MC	Физика
Заряды и поля Удаленная лаборатория Введение в статическое электричество			Триш Лёблейн	UG-Intro HS	Lab Remote	Физика
Моделирование статического электричества на основе запросов			Триш Лёблейн	HS MS	Demo MC HW Lab Remote	Физика
Статический магнитный и электрический блок (по запросу)			Триш Лёблейн	HS	HW Lab Demo	Физика
Демо Лаборатория	Науки о Земле Физика Химия
Лаборатория электрических зарядов			Доктор.Венди Адамс	HS UG-Intro MS	Лаборатория	Физика
Введение в электростатику			Карен Кинг	HS MS	Лаборатория	Физика Химия
Воздушные шары и статическое электричество			Команда PhET средней школы UTeach	MS	Лаборатория	Химия
Другое	Химия
Каким образом симуляции PhET подходят для моей программы средней школы?			Сара Боренштейн	MS	Другое	Биология Науки о Земле Химия Физика
Согласование PhET sim с NGSS			Trish Loeblein (обновлено Diana López)	MS HS	Другое	Науки о Земле Биология Химия Физика
Статическое электричество			Патрис Эдвардс	MS UG-Intro HS	Другое Управляемый Удаленный Лаборатория HW Демо	Прочее Химия Физика
Статика и напряжения			Дон любящий	MS HS	HW Guided Lab Remote	Физика
MS и HS TEK для выравнивания Sim			Elyse Zimmer	MS HS	Другое	Химия Физика Биология
Зарядка втиранием			Билал Сенгез	MS HS	Remote HW Demo	Физика
Отображение физики PhET и IBDP			Джая Рамчандани	HS	Другое	Физика
Расследование обвинений и заряженных предметов			Стив Банасиак	HS	Управляемая Лаборатория	Физика
Статическое электричество			SK Gupta, Chaithra Navada	HS	Лаборатория	Физика
Изучение электрических зарядов			Мэтт Симкинс	MS HS	Управляемая Лаборатория	Физика
Анализ моделирования электричества			Крис Леверингтон	MS HS	Lab HW Guided	Химия Физика
Лаборатория статического электричества!			Джейми Шенбергер	MS	Лаборатория Управляемый	Физика
Explorando con objetos cargado			Лаура Арболеда, Диана Лопес и Хосе Рамирес	HS	Управляемая Лаборатория	Физика Науки о Земле
SECUNDARIA: Alineación PhET con programas de la SEP México (2011 г 2017 г.)			Диана Лопес	MS HS	Другое	Математика Физика Биология Химия
Serie de actividades para Electrostática: de Electrización, Campos y Fuerzas			Триш Лёблейн (перевод Диана Лопес)	MS HS UG-Intro	HW Guided Обсудить Remote MC Lab	Физика
ПРЕПАРАТОРИЯ: Alineación de PhET con programas de la DGB México (2017)			Диана Лопес	UG-Intro HS	Другое	Физика Математика Химия
ПРИМАРИЯ: Alineación con programas de la SEP México (2011 г 2017 г.)			Диана Лопес	К-5 МС	Lab Обсудить Demo Guided HW	Химия Астрономия Физика Математика
Введение в модель Electrostática			Диана Лопес	MS HS	Управляемая Лаборатория	Физика
Предварительные требования к разным моделям HTML5			Диана Лопес	MS HS Grad K-5 UG-Intro UG-Adv	Обсудить HW	Астрономия Математика Химия Физика
Jarduera, globoak eta elektrizitate estatikoa			ДАНИЭЛЬ БЛАНКО (Jaione Eizaguirreren itzulpena)	HS	HW Lab Guided	Физика
Opladen door wrijving, influentie, geleiders en isolatoren — Google Quiz — управляемый запрос			Лоран де Фрис	MS	Удаленный Лаборатория	Физика
Статическое электричество			СК Гупта, Чайтра Навада, Санджана Ачарья, Вайбхав Гупта	HS	Лаборатория	Физика
ELETTRICITA ‘STATICA			Эйлин Кампана	HS	Remote Guided HW Lab	Химия
Simulação virtual para os tipos de eletrização e a relação entre as cargas.			Денис Алвес	HS	Демо Лаборатория	Физика
Atividades sobre Eletricidade nos OA’s do PhET			Artur Araújo Cavalcante e Gilvandenys Leite Продажи	MS HS UG-Intro Другое	Обсудить HW Guided Demo Lab	Науки о Земле Прочее Физика
Atração Eletrostática — Balões e Eletricidade Estática			Laudenor Amorim, Gilvandenys Leite Sales	UG-Intro HS	С направляющей	Физика
Eletrostática no OA «Воздушные шары и статическое электричество (HTML5)»			Artur Araújo Cavalcante e Gilvandenys Leite Продажи	MS Другое HS	Направляемые Прочее HW	Прочее Физика Науки о Земле
Eletricidade estática e Atrito			Деннис Лима	К-5	Демо	Физика
Электростатика			Вальтер Мануэль Трухильо Яипен	Другое UG-Intro UG-Adv Grad	Другое Управляемый Удаленный Лаборатория	Другое Физика
Globos y electricidad estática_actividades de indagación			Даниэль Бланко	MS UG-Intro HS	Удаленный Управляемый	Физика
electricidad estática			Элизабет Кантеро	К-5	С направляющей	Науки о Земле
CARGAS ELÉCTRICAS Y FORMAS DE CARGAR UN CUERPO			JORGE ENRIQUE CASALLAS LOPEZ	HS MS	HW Demo Lab Guided	Физика
Práctica virtual «Electroestática»			Амая Гарсия-Бараона	HS	Лаборатория Управляемый	Физика
Modelos Atomicos			Андрес Гуальберто Паломо Куэвас	HS	С направляющей	Физика

Что это такое, как от этого избавиться

ЗАКРЫТЬ

Осенняя сухая и приятная погода в Фениксе делает дни приятными, но один из ее раздражающих побочных эффектов весьма шокирует.(Фото: Getty Images / iStockphoto)

Вы можете считать осень лучшим временем года в Фениксе благодаря мягкой погоде. И все же условия, которые создают этот прекрасный сезонный перерыв, являются причиной одного из маленьких жизненных неудобств.

В шоке? Точно.

Из-за отсутствия влажности и многослойной шерстяной одежды (среди прочего) это время года, когда вы очень осторожно приближаетесь к металлической дверной ручке или дверной ручке холодильника. Возможно, даже когда вы наклоняетесь, чтобы поцеловать своего партнера, зная, что искра между вами не будет той, на которую вы надеялись.

Вместо этого это разряд статического электричества.

Это могло случиться практически в любое время и в любом месте. Все, что вам нужно, — это кратковременное накопление статического электричества с последующим контактом с проводящим материалом — чаще всего с металлом, но это может быть другой человек, собака или ваш начальник (не то чтобы для этого было какое-то основание вступать в контакт с вашим начальником).

Когда дело доходит до статического электричества, каждый является проводником. Наши тела собирают электроны, что приводит к негативу, не имеющему ничего общего с эмоциями, а все, что связано со статическим электричеством.

Что такое статическое электричество?

Проще говоря, это накопление электрического заряда на поверхности.

Вы, вероятно, потерли голову воздушным шариком, и у вас волосы встали дыбом, когда вы его убрали, убедив своего двухлетнего ребенка в том, что вы волшебник.

Даже когда ваш ребенок восхищается вашими способностями, все, что произошло, — это перенос электронов. Некоторые поверхности выделяют электроны, придавая им положительный заряд (ваши волосы), в то время как другие собирают электроны, придавая им отрицательный заряд (воздушный шар).Противоположности притягиваются, поэтому воздушный шар становится магнитом для волос.

Вредно ли статическое электричество для человека?

Добро пожаловать в мир электронов, путешествующих автостопом.

Эти свободно распространяющиеся частицы атомарной материи любят путешествовать, но время от времени они собираются в кучу, создавая невыносимое скопление. Представьте себе Диснейленд в Рождество.

Им нужно уйти, быстро и сразу. Но им нужно куда-то деваться.

Эй, эта металлическая дверная ручка выглядит неплохо, и в ней относительно мало людей.И это определенно лучше текущего местоположения, которым, по-видимому, являетесь вы.

Когда ваш указательный палец приближается к ручке, бей! Это покалывание, которое вы чувствуете, — это ваши болевые рецепторы, которые говорят вашему мозгу, как неприятно, когда через него проносятся электроны. Вы можете даже увидеть искру, если разряд электронов достаточно велик.

Хорошая новость в том, что статическое электричество не может серьезно навредить вам. Ваше тело состоит в основном из воды, и вода является неэффективным проводником электричества, особенно в таких небольших количествах.

Не то чтобы электричество не могло вас убить или убить. Но статическое электричество для молнии то же самое, что капля воды для ревущей реки.

ЗАКРЫТЬ

С этим во многом связан зимний воздух. Видео предоставлено Newsy

Почему это происходит сейчас?

Во всем виноваты сухой воздух и более низкие температуры.

Воздух — изолятор, он не позволяет электронам свободно перемещаться. Эти электроны имеют тенденцию собираться на вас до тех пор, пока вы не коснетесь поверхности, которая их приветствует.

Накопление электронов летом не так заметно. Более теплый воздух содержит больше воды, что позволяет электронам перемещаться. Вот почему в теплые влажные дни вы можете прикасаться к друзьям, близким и рукам, не опасаясь шока.

Как избавиться от статического электричества?

Вы не можете устранить все удары, в том числе из-за обилия электронов в природе. Но вы можете уменьшить их частоту и интенсивность.

Одним из самых простых и эффективных решений является увлажнение вашего дома, обеспечение водяного пара, необходимого для перемещения электронов.Увлажнители стоят от 15 до 250 долларов, в зависимости от размера и характеристик.

Для более целенаправленного применения попробуйте антистатический спрей (5–9 долларов за банку). Нанесите небольшое количество жидкости на одежду и мебель, чтобы избавиться от скопления электронов.

Листы для сушки также могут снизить статическое электричество. Протирая ими ковровое покрытие раз в неделю, можно снизить риск статического электричества, но, учитывая время и объем работы, вы можете подумать, что несколько ударов стоит потратить больше времени на просмотр телевизора.

Вы можете избегать обуви на резиновой подошве . Вы ходите по изоляторам, которые позволяют статическому электричеству накапливаться с каждым шагом, особенно на шерстяном ковре. Попробуйте вместо этого обувь на кожаной подошве.

А может не носите шерсть . Ткань является более эффективным проводником, чем хлопок, а это означает, что она может накапливать статический заряд. Вы даже можете услышать потрескивание статического электричества, когда натягиваете фланелевую рубашку или укутываетесь в шерстяное одеяло. Это как если бы вы включали генератор.

Есть какие-нибудь бесполезные советы?

Почему да, спасибо за вопрос.

Во-первых, избегайте одевания слоями. Накопление статического электричества — это естественный результат трения тканей друг о друга, поэтому чем больше слоев вы наденете, тем выше вероятность шокировать себя или окружающих. Мы говорим об этом, полностью осознавая, что когда здесь доходит до 50 и ниже, мы одеваемся так, как будто идет снег. (Перестаньте смеяться над нами, миннесотцы.)

Во-вторых, приготовьтесь к неизбежному шоку. Прикоснитесь к потенциально опасной поверхности запястьем или предплечьями, гораздо менее чувствительными, чем кончики пальцев.

Если, конечно, вы не хотите кого-то умышленно шокировать.

Есть какие-нибудь советы по относительно неизвестным, обязательным для посещения местам в Аризоне? Свяжитесь с корреспондентом по адресу scott.