Статическое электричество и способы борьбы с ним

С детства каждый из нас сталкивался с проявлениями статического электричества – когда гладил кошку или снимал шерстяной свитер, а затем прикасался к металлическому корпусу электроприборов. Данный эффект сопровождается тихим потрескиванием, а на кончиках пальцев ощущается весьма дискомфортное покалывание. Само по себе статическое электричество не является опасным, однако если природа его возникновения происходит от бытовой электросети, есть причины для волнения. Сегодня мы поговорим об этом явлении и изучим его с самых разных сторон.

Опасность от статического электричества исходит в том случае, если оно спровоцировано предварительным воздействием сетевого напряжения на корпус какого-либо прибора, который затем было отключён от сети. В этом случае мог накопиться большой заряд, способный серьёзно поразить человека током. Последствием этого могут стать ожоги или временное онемение конечностей, контактировавших с устройством. Порой в быту подобная опасность также может исходить от розеток из-за того, что при их обычной эксплуатации электроды вилки трутся о пластик и получают некоторый статический заряд, способный многократно усилиться за счёт окружающего электромагнитного поля.

Кроме того, статическое электричество может быть опасно не само по себе, а как фактор, провоцирующий возгорание. К примеру, маленькая искра, которая рождается от трения нескольких разнородных материалов, может перекинуться на соседние объекты. Пожары, причиной которых послужила электростатика, нередко происходят на складах зерна и различных ядохимикатов, а также топлива и любых алкогольсодержащих жидкостей. Все вещества, обладающие хорошей горючестью, а также мелкодисперсные порошки потенциально могут воспламениться от, казалось бы, совершенно безопасного статического электричества.

Среди иногда встречающихся негативных эффектов данного явления следует особо упомянуть электромагнитные помехи. Если статика проявляет себя возле приборов и устройств, имеющих чувствительные к радиоволнам компоненты, она способна сбить их настройки или даже вывести из строя конденсаторы. Из-за статического электричества могут возникать искажения сигнала при прослушивании радио или сбои в работе дистанционных пультов от телевизоров, подсветки из светодиодных лент, радиоуправляемых моделей или другого подобного оборудования.

Физика явления

Следует понимать, что типичные ситуации возникновения статического электричества обусловлены исключительно обстоятельствами, создающими предпосылки для возникновения разрядов. Подобные искры могут возникнуть абсолютно везде и в любой момент, если между предметами или веществами возникло трение. Заряд накапливается и на руке, если мы потрём ткань, и на автомобиле, когда он на скорости рассекает воздух, и на дверной ручке, которой постоянно касается одежда. В какой-то момент этот заряд снимается – и именно это явление сопровождается треском с искрой.

Чтобы понять природу электростатики, необходимо вспомнить, как устроен мир на молекулярном уровне. В основе всего лежит атом, которой состоит из трёх мельчайших частиц: электронов, заряженных отрицательно, протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих заряда. В подавляющем большинстве тел и веществ первые и вторые количественно компенсируют друг друга, что в результате обеспечивает нейтральный заряд атомов. Если же несколько тел взаимодействуют между собой, то даже простое прикосновение или трение может придать электронам, имеющим очень малую массу, достаточно энергии, чтобы они перешли с одной поверхности на другую. Нетрудно понять, что в описанном случае у первого тела остаётся больше протонов, и оно приобретает выраженный положительный заряд, а второе тело, накопившее электроны, – отрицательный. Наметившийся дисбаланс системы начинает стремиться к восстановлению, а потому при повторном контакте свободные электроны пытаются «занять пустующие места» – оказаться там, где их не хватает. Именно момент перескока мы и наблюдаем в виде статического электричества.

К счастью, описанное явление случается не со всеми телами и не постоянно, иначе человек всё время бы получал разряды, взаимодействуя с объектами материального мира. Зачастую электроны, которые имеют слабую связь со своим атомным ядром присутствует в металлах – именно поэтому последние используются в качестве электрических проводников. Человечеству очень давно было известно это их свойство, потому провода и кабели с самого начала стали делать из меди и алюминия, полностью минуя этап подбора токопроводящих материалов. Отсюда логично заключить, что у диэлектриков, которые способны выполнять функцию изоляторов, электроны, наоборот, прочно связаны с ядрами и не могут свободно переходить на иные поверхности.

Природа устроила всё очень интересно: перераспределение зарядов чаще и проще происходит при взаимодействии проводника и диэлектрика, чем при контакте двух проводников, что на первый взгляд кажется нам более логичным. Если ребёнок бегает босыми ногами по шерстяному ковру, происходит трение и электроны из его тела перемещаются на волокна. Шерсть отлично сопротивляется отделению собственных электронов, но легко накапливает «чужие». Пока ребёнок на ковре, их совокупный заряд нейтрален, но стоит сойти с полотна, и в человеческом теле уже имеется выраженный недостаток электронов. Прикасаясь к металлической дверной ручке, которая всегда готова отдать часть своих электронов, ребёнок ощущает тот самый эффект покалывания и треск, которые сопровождают переход заряда. То есть, результатом описанных событий становится замещение переданных ковру электронов свободными электронами из металла ручки.

Фактически, тот же эффект, только гораздо масштабнее, лежит в основе образования молний. Облака в небе определённым образом взаимодействуют, что приводит к дисбалансу зарядов, а затем в один момент производят обратное перераспределение огромного количества электронов. Молния, которую мы видим, и есть тот самый обратный переход, сопровождаемый светом и звуком разряда – громом. Часть «лишнего» заряда поглощается землёй и постройками, а основное количество электронов занимают пустующие места в атомах доселе положительно заряженных облаков.

Как защититься от статического электричества?

В сущности, всё многообразие методов защиты от электростатики сводится к выбору из двух путей: либо необходимо создать условия для того, чтобы несвязанные электроны рассеивались сами по себе, не провоцируя переход со щелчком, либо предупредить само возникновение эффекта, не давая накопиться заряду. Самым простым способом избавиться от любых возможных электроударов статикой является банальное заземление электроприборов. Предполагается, что корпуса устройств, хоть и не находятся под напряжением непосредственно, могут постепенно накапливать заряд. Если мы обеспечим сток этого заряда в землю через отдельный кабель, то прикосновения к корпусу перестанут представлять угрозу для здоровья.

В бытовых приборах заземление обычно выполняется при помощи третьей жёлто-зелёной жилы в питающем шнуре. Она соединяется с соответствующим контактом в розетке и по проводу ведёт к заземляющему контуру на улице. В автомобилях и многих передвижных механизмах заземление ещё более очевидно: к кузову или корпусу крепится полоска из токопроводящего материала или цепочка, которая при езде касается асфальта и обеспечивает сток статического заряда в землю.

Ещё один широко известный способ избавиться от лишних электронов на предметах состоит в том, чтобы увеличить электропроводимость диэлектрических материалов. Сделав это, Вы получите возможность отводить излишний заряд на другие объекты, снижая суммарный потенциал. Нужный эффект достигается с применением различных спреев и аэрозолей, наносимых на предметы. Кроме того, на крупные приборы и устройства можно наклеивать специальные плёнки, собирающие заряд на себя. Принцип действия и у тех, и у других одинаков: просто во втором случае плёнка наклеивается сразу, а в первом она становится результатом высыхания состава на поверхности объекта.

Похожий эффект даёт и банальное увлажнение воздуха: если в доме высокая влажность, предметы мебели и другие поверхности приобретают тончайшую плёнку-налёт, которая обеспечивает повышенную электрическую проводимость. Ещё лучше ионизировать воздух в помещении: ионизатор сразу генерирует необходимое количество положительно и отрицательно заряженных частиц и выбрасывает их потоком при помощи вентилятора. Благодаря хорошему распространению, каждый ион быстро «находит своё место», притягиваясь к микрочастицам противоположной полярности и нейтрализуя заряд.

В промышленности, где любая искра может представлять серьёзную опасность, применяют другие подходы. К примеру, разрабатывают новые принципы осуществления производственного процесса, которые полностью исключают или минимизируют вероятность накопления заряда на поверхности станков и агрегатов, подготавливают микроклимат соответствующим образом, используют антистатические вещества при обработке оборудования и спецодежды персонала. За счёт того, что светильники и вспомогательные средства производства находятся вне зоны возможного касания человеком, снижается вероятность контакта между разнозаряженными телами и возникновения искры. На высокоопасных производствах сотрудники проходят через так называемую клетку Фарадея – это большой бокс, стенки которого сформированы из металлической сетки с маленькими ячейками. Конструкция перенимает на себя любой разряд и отводит его в землю по отдельному кабелю.

Интересные факты об электростатике

Специалисты различают три вида электростатического разряда. Рассмотрим их.

1. Искровой разряд возникает между двумя условно равнозначными объектами, сравнимыми по величине – например, человеком и электроприбором. Искра может иметь почти любую мощность, а потому при наличии в воздухе паров легковоспламеняющихся жидкостей возможен серьёзный пожар.
2. Кистевой разряд происходит между любым объектом и острым углом заряженного тела, являющегося диэлектриком. Его энергия значительно меньше, чем искрового, а потому уровень опасности считается ниже среднего. Данный разряд очень кратковременный и больше пугает треском, чем самим ударом.
3. Скользящий разряд может проявить себя при трении тонких листовых материалов – например, при сворачивании листа металла в рулон. Кроме того, накопление заряда возможно на этапе распыления какого-либо покрытия при условии последующего движения слоёв материала между собой. Величина разряда сопоставима с первым типом, хоть и немного меньше.

Статическое электричество нашло своё применение всего в нескольких областях человеческой жизни. В частности, его используют для демонстрации существования электричества как такового в лабораторных условиях – например, на школьных уроках физики. Использовать его для того, чтобы обеспечить работу лампочек, к сожалению, не представляется возможным.

В промышленности электростатику применяют для оптимизации процесса окрашивания различных деталей. Краску заряжают одной полярностью, а предмет – другой, и производят распыление. Благодаря взаимному притяжению качество и равномерность покраски увеличиваются, скорость обработки одной детали возрастает, а расход краски снижается минимум вдвое.

Похожий эффект применяется в лазерных принтерах с бумагой и графитовым порошком. Их заряжают разнополюсными зарядами и благодаря этому тонер чётко ложится на отведённые для этого места. Именно данный принцип в своё время позволил перейти от струйной и матричной печати к цифровой и лазерной.

Во всех остальных сферах электростатический разряд продолжает считаться нежелательным явлением, несущим дискомфорт и потенциальный вред. Не исключено, что уже в ближайшее десятилетние человек сможет найти полезное применение данному явлению и поставить его на службу цивилизации. Исследования в этом направлении ведутся уже сегодня, однако назвать день, когда мы увидим первые значимые результаты, сейчас ещё очень сложно.