Статична електрика та способи боротьби з нею

З дитинства кожен з нас стикався з проявами статичної електрики – коли гладив кішку або знімав вовняний светр, а потім торкався до металевого корпусу електроприладів. Даний ефект супроводжується тихим потріскуванням, а на кінчиках пальців відчувається дуже дискомфортне поколювання. Сама по собі статична електрика не є небезпечною, проте якщо природа її виникнення походить від побутової електромережі, є причини для хвилювання. Сьогодні ми поговоримо про це явище та вивчимо його з самих різних боків.

Небезпека від статичної електрики виходить у тому випадку, якщо вона спровокована попереднім впливом напруги на корпус якого-небудь приладу, який потім було відключено від мережі. У цьому випадку міг накопичитися великий заряд, здатний серйозно вразити людину струмом. Наслідком цього можуть стати опіки або тимчасове оніміння кінцівок, які контактували з пристроєм. Часом у побуті подібна небезпека також може виходити від розеток через те, що при їх нормальній експлуатації електроди вилки труться об пластик та отримують певний статичний заряд, здатний багаторазово посилитися за рахунок навколишнього електромагнітного поля.

Крім того, статична електрика може бути небезпечно не сама по собі, а як фактор, який провокує загоряння. Наприклад, маленька іскра, яка народжується від тертя декількох різнорідних матеріалів, може перекинутися на сусідні об'єкти. Пожежі, причиною яких послужила електростатика, нерідко відбуваються на складах зерна та різних отрутохімікатів, а також палива та різноманітних спиртовмісних рідин. Усі речовини, які мають гарну горючість, а також дрібнодисперсні порошки потенційно можуть спалахнути від, здавалося б, абсолютно безпечної статичної електрики.

Серед негативних ефектів даного явища, які іноді зустрічаються, слід особливо згадати електромагнітні перешкоди. Якщо статика виявляє себе біля приладів та пристроїв, що мають чутливі до радіохвиль компоненти, вона здатна збити їхні налаштування або навіть вивести з ладу конденсатори. Через статичну електрику можуть виникати спотворення сигналу при прослуховуванні радіо або збої у роботі дистанційних пультів від телевізорів, підсвічування зі світлодіодних стрічок, радіокерованих моделей або іншого подібного обладнання.

Фізика явища

Слід розуміти, що типові ситуації виникнення статичної електрики обумовлені виключно обставинами, що створюють передумови для виникнення розрядів. Подібні іскри можуть виникнути на кожному кроці та у будь-який момент, якщо між предметами або речовинами виникло тертя. Заряд накопичується й на руці, якщо ми потремо тканину, й на автомобілі, коли він на швидкості розсікає повітря, й на дверній ручці, якої постійно торкається одяг. У якийсь момент цей заряд знімається – й саме це явище супроводжується тріском з іскрою.

Щоб зрозуміти природу електростатики, необхідно згадати, як влаштований світ на молекулярному рівні. У основі усього лежить атом, який складається з трьох найдрібніших частинок: електронів, заряджених негативно, протонів, заряджених позитивно, та нейтронів, які не мають заряду. У переважній більшості тіл та речовин перші та другі кількісно компенсують одне одного, що у результаті забезпечує нейтральний заряд атомів. Якщо ж декілька тіл взаємодіють між собою, то навіть простий дотик або тертя може надати електронам, які мають дуже малу масу, достатньо енергії, щоб вони перейшли з однієї поверхні на іншу. Неважко зрозуміти, що у описаному випадку у першого тіла залишається більше протонів, й воно набуває виражений позитивний заряд, а друге тіло, що накопичило електрони, – негативний. Дисбаланс системи, який намітився, починає прагнути до відновлення, а тому при повторному контакті вільні електрони намагаються «зайняти порожні місця» – опинитися там, де їх не вистачає. Саме момент перескоку ми й спостерігаємо у вигляді статичної електрики.

На щастя, описане явище трапляється не з усіма тілами та не постійно, інакше людина увесь час би отримувала розряди, взаємодіючи з об'єктами матеріального світу. Найчастіше електрони, які мають слабкий зв'язок зі своїм атомним ядром присутні у металах – саме тому останні використовуються у якості електричних провідників. Людству дуже давно була відома ця їх властивість, тому дроти та кабелі з самого початку стали робити з міді та алюмінію, повністю минаючи етап підбору струмопровідних матеріалів. Звідси логічно зробити висновок, що у діелектриків, які здатні виконувати функцію ізоляторів, електрони, навпаки, міцно пов'язані з ядрами та не можуть вільно переходити на інші поверхні.

Природа влаштувала усе дуже цікаво: перерозподіл зарядів частіше та простіше відбувається при взаємодії провідника та діелектрика, аніж при контакті двох провідників, що на перший погляд здається нам більш логічним. Якщо дитина бігає босими ногами по вовняному килиму, відбувається тертя й електрони з її тіла переміщуються на волокна. Вовна відмінно чинить опір відділенню власних електронів, але легко накопичує «чужі». Поки дитина на килимі, їхній сукупний заряд нейтральний, але варто зійти з полотна, й у людському тілі вже є виражена нестача електронів. Торкаючись до металевої дверної ручки, яка завжди готова віддати частину своїх електронів, дитина відчуває той самий ефект поколювання та тріск, які супроводжують перехід заряду. Тобто, результатом описаний подій стає заміщення електронів, які були передані килиму, вільними електронами з металу ручки.

Фактично, той самий ефект, тільки набагато масштабніший, лежить у основі утворення блискавок. Хмари у небі певним чином взаємодіють, що призводить до дисбалансу зарядів, а потім у один момент виробляють зворотній перерозподіл величезної кількості електронів. Блискавка, яку ми бачимо, і є той самий зворотний перехід, супроводжуваний світлом та звуком розряду – громом. Частина «зайвого» заряду поглинається землею та будівлями, а основна кількість електронів займають порожні місця у атомах досі позитивно заряджених хмар.

Як захиститися від статичної електрики?

По суті, усе різноманіття методів захисту від електростатики зводиться до вибору з двох шляхів: або необхідно створити умови для того, щоб не пов'язані електрони розсіювалися самі по собі, не провокуючи перехід зі стрекотом, або попередити саме виникнення ефекту, не даючи накопичитися заряду. Найпростішим способом позбутися від будь-яких можливих електроударів статикою є банальне заземлення електроприладів. Передбачається, що корпуси пристроїв, хоча й не перебувають під напругою безпосередньо, можуть поступово накопичувати заряд. Якщо ми забезпечимо стік цього заряду у землю через окремий кабель, то дотики до корпусу перестануть становити загрозу для здоров'я.

У побутових приладах заземлення зазвичай виконується за допомогою третьої жовто-зеленої жили у живильному шнурі. Вона з'єднується з відповідним контактом у розетці та по дроту веде до захисного заземлення та на вулиці. У автомобілях та багатьох пересувних механізмах заземлення ще більш очевидне: до кузова або корпусу кріпиться смужка зі струмопровідного матеріалу або ланцюжок, який при їзді торкається асфальту та забезпечує стік статичного заряду у землю.

Ще один широко відомий спосіб позбутися від зайвих електронів на предметах полягає у тому, щоб збільшити електропровідність діелектричних матеріалів. Зробивши це, Ви отримаєте можливість відводити зайвий заряд на інші об'єкти, знижуючи сумарний потенціал. Потрібний ефект досягається із застосуванням різних спреїв та аерозолів, які наносяться на предмети. Окрім того, на великі прилади та пристрої можна наклеювати спеціальні плівки, які збирають заряд на себе. Принцип дії й у тих, і у інших однаковий: просто у другому випадку плівка наклеюється відразу, а у першому вона стає результатом висихання складу на поверхні об'єкту.

Схожий ефект дає й банальне зволоження повітря: якщо у будинку висока вологість, предмети меблів та інші поверхні набувають дуже тонкої плівки-нальоту, яка забезпечує підвищену електричну провідність. Ще краще іонізувати повітря у приміщенні: іонізатор відразу генерує необхідну кількість позитивно та негативно заряджених частинок та викидає їх потоком за допомогою вентилятора. Завдяки гарному поширенню, кожен іон швидко «знаходить своє місце», притягаючись до мікрочасток протилежної полярності та нейтралізуючи заряд.

У промисловості, де будь-яка іскра може представляти серйозну небезпеку, застосовують інші підходи. Наприклад, розробляють нові принципи здійснення виробничого процесу, які повністю виключають або мінімізують ймовірність накопичення заряду на поверхні верстатів та агрегатів, готують мікроклімат відповідним чином, використовують антистатичні речовини при обробці обладнання та спецодягу персоналу. За рахунок того, що світильники та допоміжні засоби виробництва знаходяться поза зоною можливого торкання людиною, знижується ймовірність контакту між різнозарядженими тілами та виникнення іскри. На високонебезпечних виробництвах співробітники проходять через так звану клітку Фарадея – це великий бокс, стінки якого сформовані з металевої сітки з маленькими клітинками. Конструкція переймає на себе будь-який розряд та відводить його у землю окремими кабелем.

Цікаві факти про електростатику

Фахівці розрізняють три види електростатичного розряду. Розглянемо їх.

1. Іскровий розряд виникає між двома умовно рівнозначними об'єктами, порівнянними за величиною – наприклад, людиною та електроприладом. Іскра може мати майже будь-яку потужність, а тому за наявності у повітрі парів легкозаймистих рідин можлива серйозний пожежа.
2. Кистьовий розряд відбувається між будь-яким об'єктом та гострим кутом зарядженого тіла, яке є діелектриком. Його енергія значно менше, аніж іскрового, а тому рівень небезпеки вважається нижче середнього. Даний розряд дуже короткочасний й більше лякає тріском, аніж самим ударом.
3. Ковзкий розряд може проявити себе при терті тонких листових матеріалів – наприклад, при згортанні листа металу у рулон. Крім того, накопичення заряду можливе на етапі розпилення будь-якого покриття за умови подальшого руху шарів матеріалу між собою. Величина розряду порівняна з першим типом, хоча й трохи менше.

Статична електрика знайшла своє застосування усього у декількох областях людського життя. Зокрема, її використовують для демонстрації існування електрики як такої у лабораторних умовах – наприклад, на шкільних уроках фізики. Використовувати її для того, щоб забезпечити роботу лампочок, на жаль, не видається можливим.

У промисловості електростатику застосовують для оптимізації процесу фарбування різних деталей. Фарбу заряджають однією полярністю, а предмет – іншою, й здійснюють розпилення. Завдяки взаємному тяжінню якість та рівномірність фарбування збільшуються, швидкість обробки однієї деталі зростає, а витрата фарби знижується мінімум удвічі.

Схожий ефект застосовується у лазерних принтерах з папером та графітовим порошком. Їх заряджають різнополюсними зарядами й завдяки цьому тонер чітко лягає на відведені для цього місця. Саме цей принцип свого часу дозволив перейти від струменевого та матричного друку до цифрового та лазерного.

В усіх інших сферах електростатичний розряд продовжує вважатися небажаним явищем, що несе дискомфорт та потенційну шкода. Не виключено, що вже у найближчому десятиріччі людина зможе знайти корисне застосування цього явища та поставити його на службу цивілізації. Дослідження у цьому напрямку ведуться вже сьогодні, проте назвати день, коли ми побачимо перші значущі результати, зараз ще дуже складно.