Основы знаний о статическом электричестве. Понятие статического электричества и защита от него Статическое электричество и защита от него в быту
Феномен статического электричества известен давно, и каждый из нас сталкивается с проявлениями его почти ежедневно. При одевании или снимании одежды из синтетического материала, контакте с экраном телевизора или компьютера зачастую возникает ощутимый электрический разряд. В современном мире эффект статического электричества получил широкое практическое применение (печатные и копировальные аппараты, окраска). Однако разряд статического электричества может привести и к трагическим последствиям.
Впервые возможности статического электричества вызывать возникновение взрыва и пожара были обнаружены в 1893 г. американцем Рихтером, который пытался улучшить процесс сухой химчистки одежды и попробовал ввести порошок магнезии в бензол, используемый в процессе чистки, для увеличения его токопроводности.
В топливной и химической индустрии проблему возникновения зарядов статического электричества начали глубоко изучать В начале 30-х гг., после нескольких взрывов на заводах компании SHELL. На морском же транспорте изучением этой проблемы занялись несколько позже, в середине 60-х гг., опять же после серии взрывов на танкерах, которые перевозили сырую нефть. Были проведены фундаментальные исследования в области возникновения зарядов статического электричества на танкерах при различных технологических операциях и определены международные требования по предотвращению образования электростатических разрядов.
Рассмотрим природу образования электростатического заряда.
Причины возникновения зарядов статического электричества. Существует три этапа, последовательно приводящих к возникновению опасности воспламенения горючих смесей при воздействии статического электричества, а именно:
Разделение заряда;
Накопление заряда;
Разряд статического электричества.
Известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы - электроны. Сумма всех отрицательных зарядов в теле по абсолютному значению равна сумме всех положительных зарядов в нем, поэтому в целом тело электрически нейтрально и не имеет заряда.
Электроны, находящиеся на периферийных орбитах атома, могут сравнительно легко покидать свое место и переходить на орбиты атомов другого тела или вещества. Тот атом, который потеряет электроны, будет испытывать их недостаток и получит положительный заряд. Атом-же, на орбиты которого перейдет оторвавшийся электрон, будет иметь избыток электронов, а заряд его станет отрицательным. Иначе говоря, при перемещении электронов с орбиты одного атома на орбиту другого происходит перераспределение зарядов, и при этом один атом получает положительный заряд, а другой отрицательный. Такие заряженные атомы называются ионами.
При электризации тел заряды не создаются, а только разделяются: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
Например, при трении эбонитовой палочки о шерсть, эбонит получает отрицательный заряд, а шерсть заряжается положительно.
Перетекшие электронов происходит только в случае взаимодействия атомов с различной плотностью электронов.
Всякий раз, когда в контакт входят два неоднородных материала, на поверхности, разделяющей эти материалы, происходит разделение заряда. Эта поверхность может разделять два твердых тела, твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости. На поверхности раздела заряд одного знака, например положительного, перемещается от материала А к материалу В таким образом, что эти материалы становятся соответственно положительно и отрицательно заряженными. Пока материалы А и В неподвижны и контактируют друг с другом, заряды находятся чрезвычайно близко друг к другу. В таком случае незначительная разность потенциалов между зарядами противоположного знака не представляет какой-либо угрозы.
Интенсивное разделение зарядов происходит в результате таких действий, как:
Прохождение потока жидкости через трубы или мелкоячеистые фильтры,
Осаждение частиц твердого тела или несмешивающейся жидкости через другую жидкость,
Выброс мелких капель или частиц из сопла,
Всплескивание или взбалтывание жидкости при ее соприкосновении с твердой поверхностью,
Сильное трение друг о друга некоторых материалов.
Когда заряды разъединяются, между ними образуется большая разность потенциалов. При этом в окружающем пространстве также происходит распределение разности потенциалов, иначе говоря, формируется электрическое поле (т. е. во время мойки танка при распылении жидкости электростатическое поле возникает во всем объеме танка).
Если в электростатическое поле поместить незаряженный проводник, то он получит примерно такой же потенциал, как и поле, в котором он находится. Более того, поле приводит в движение заряды внутри проводника, заряд одного знака притягивается полем к одному концу проводника, на другом же конце проводника формируется равный по величине заряд противоположного знака. Заряды, разделенные таким образом, называются индуцированными, они накапливаются в электростатическом поле.
Заряд может возникать и там, где не происходит непосредственного контакта между заряженными телами, а также при воздействии на материал другого заряженного тела, что вызывает формирование положительных и отрицательных ионов. Например, при прохождении грозового облака над высоким зданием или судном, в последних формируются положительные и отрицательные ионы, хотя непосредственного контакта между материалами или зарядами не было. Это приводит к тому, что одно и то же вещество или тело может нести противоположные заряды.
Вокруг заряженного тела происходит формирование электрического поля, своего рода отображение пространства вокруг заряженного тела. В двух противоположных точках электрического поля определяется разность потенциалов в вольтах. Напряженность электрвстатнческвге пвля впределяется в вольтах на метр (В/м).
В однородном электрическом поле напряженность поля определяется как разность потенциала на метр. Величина напряженности поля определяет возможность возникновения разряда. В сухом воздухе искровой электрический разряд может произойти при величине напряженности электрического поля около 3 000 000 В/м. Однако если поместить в поле заземленный проводник, то даже при слабой напряженности поля можно получить значительный электрический разряд.
Накопление заряда. Ранее разделенные заряды стремятся вновь соединиться между собой и нейтрализовать друг друга. Этот процесс известен как релаксация заряда. Если один из материалов или оба эти материала, несущие электростатический заряд, обладают низкой токопроводностыо, то повторное соединение зарядов затруднено и данный материал аккумулирует (накапливает) заряд на себе.
Время, в течение которого сохраняется заряд, характеризуется временем релаксации
данного материала, которое соотносится с его токопроводностью. Чем меньше токопроводность
материала, тем больше период релаксации заряда.
Если же проводимость материала высока, то заряды соединяются очень быстро, тем самым препятствуя процессу их разъединения, в результате чего происходит очень незначительное аккумулирование заряда или же он не аккумулируется совсем. Материал с такой проводимостью может сохранять или аккумулировать заряд только в том случае, если он окружен диэлектриком. При этом скорость потери им заряда будет зависеть от времени релаксации диэлектрика.
Можно сказать, что наиболее важным фактором, определяющим время релаксации материала, является его электропроводность.
Все материалы по степени их токопроводиости условно можно разделить на три основные группы.
Первая группа - проводники. К твердым проводникам относится большинство металлов, а к жидким - целый диапазон водных растворов солей, включая морскую воду. Человеческое тело, более чем на 60% состоящее из воды, также является проводником электрического тока. К важным свойствам жидких проводников относится не только их неспособность удерживать электрический заряд, если они не изолированы, но и почти мгновенное разряжение, если они изолированы и существует возможность электрического разряда. Иными словами, полученный заряд распространяется равномерно по всему материалу, а при соприкосновении с заземлением мгновенно исчезает.
Очень часто разряды между двумя проводниками происходят в виде искры, в таком случае они гораздо опаснее, чем разряды, возникающие между проводником и диэлектриком. При релаксации заряда между проводником и диэлектриком возникают не искровые, а коронные или кистевые разряды.
Вторая группа - диэлектрики или изоляторы. Если заряд возникает только в месте соприкосновения или разъединения материалов, то такие материалы называются диэлектриками.
Заряженные диэлектрики доставляют заряд в место, где может произойти непосредственный контакт заряда с проводником. Сильно заряженные диэлектрики могут непосредственно инициировать воспламеняющие искры. Жидкости рассматриваются как диэлектрики, если их проводимость менее 50 пикоСименсов на метр (пСм/м) с периодом релаксации не более 0,35 с. Такие жидкости зачастую называют аккумулирующими статическое электричество. К ним относятся чистые нефти и чистые нефтепродукты (дистилляты), сжиженные газы.
Третья группа представляет собой ряд жидкостей и твердых материалов с промежуточной токопроводностью. Яркий пример - темные нефти, сырые нефти, спирты, ацетон и др.
Когда напряженность электрического поля достигаетопределенной величины, может произойти разряд поля, который имеет различные формы. Для воспламенения паровоздушной смеси необходимо, чтобы электростатический разряд был достаточно мощным. Было установлено, что для воспламенения паровоздушной смеси пропана достаточно, чтобы между электродами произошел разряд с выделением энергии в 0,2 мДж, а для воспламенения паровоздушной смеси аммиака потребуется разряд в 600 раз мощнее.
Существуют следующие формы электростатических разрядов.
Корона - ионное излучение голубоватого цвета. Его можно увидеть на острых углах или вантах при некоторых погодных условиях. Это сияние известно под названием «Огни Святого Эльма». Такое излучение не несет в себе достаточно энергии для возникновения пламени.
Северное, или полярное, сияние - это слабые лучи, сформированные из очень маленьких искр, испускаемых заряженными острыми углами или выступами конструкций в направлении заряженных облаков или тумана. Такое свечение может возникнуть в танках супертанкеров, оно также не несет в себе достаточной энергии для возникновения пламени.
Искра возникает только в том случае, если напряженность электрического поля достигает некоторой критической величины. Ионный луч увеличивается с повышением напряженности поля, и конечный результат такого увеличения - возникновение настоящей искры. При большой напряженности поля образуется разряд, более известный как молния. Однако если мы поместим в электрическое поле заземленный проводник, то возникнет искровой разряд, достаточный для воспламенения смеси даже при малых величинах напряженности поля.
Повседневная деятельность любого человека связана с его перемещением в пространстве. При этом он не только ходит пешком, но и ездит на транспорте.
Во время любого движения происходит перераспределение статических зарядов, изменяющих баланс внутреннего равновесия между атомами и электронами каждого вещества. Он связан с процессом электризации, образованием статического электричества.
У твердых тел распределение зарядов происходит за счет перемещения электронов, а у жидких и газообразных - как электронов, так и заряженных ионов. Все они в комплексе создают разность потенциалов.
Причины образования статического электричества
Наиболее распространенные примеры проявления сил статики объясняют в школе на первых уроках физики, когда натирают стеклянные и эбонитовые палочки о шерстяную ткань и демонстрируют притяжение к ним мелких кусочков бумаги.
Также известен опыт по отклонению тонкой струи воды под действием статических зарядов, сконцентрированных на эбонитовом стержне.
В быту статическое электричество проявляется чаще всего:
при ношении шерстяной или синтетической одежды;
хождении в обуви с резиновой подошвой или в шерстяных носках по коврам и линолеуму;
пользовании пластиковыми предметами.
Ситуацию усугубляют:
сухой воздух внутри помещений;
железобетонные стены, из которых выполнены многоэтажные здания.
Как создается статический заряд
Обычно физическое тело содержит в себе равное количество положительных и отрицательных частиц, за счет чего в нем создан баланс, обеспечивающий его нейтральное состояние. Когда оно нарушается, то тело приобретает электрический заряд определённого знака.
Под статикой подразумевают состояние покоя, когда тело не движется. Внутри его вещества может происходить поляризация - перемещение зарядов с одной части на другую или перенос их с рядом расположенного предмета.
Электризация веществ происходит за счет приобретения, удаления или разделения зарядов при:
взаимодействии материалов за счет сил трения или вращения;
резком температурном перепаде;
облучении различными способами;
разделении или разрезании физических тел.
Распределяются по поверхности предмета или на удалении от нее в несколько междуатомных расстояний. У незаземленных тел они распространяются по площади контактного слоя, а у подключенных к контуру земли стекают на него.
Приобретение статических зарядов телом и их стекание происходит одновременно. Электризация обеспечивается тогда, когда тело получает бо́льший потенциал энергии, чем расходует во внешнюю среду.
Из этого положения вытекает практический вывод: для защиты тела от статического электричества необходимо с него отводить приобретаемые заряды на контур земли.
Способы оценки статического электричества
Физические вещества по способности образовывать электрические заряды разных знаков при взаимодействии трением с другими телами, характеризуют по шкале трибоэлектрического эффекта. Часть их показана на картинке.
В качестве примера их взаимодействия можно привести следующие факты:
хождение в шерстяных носках или обуви с резиновой подошвой по сухому ковру может зарядить человеческое тело до 5÷-6 кВ;
корпус автомобиля, едущего по сухой дороге, приобретает потенциал до 10 кВ;
ремень привода, вращающий шкив, заряжается до 25 кВ.
Как видим, потенциал статического электричества достигает очень больших величин даже в бытовых условиях. Но он не причиняет нам большого вреда потому, что не обладает высокой мощностью, а его разряд проходит через высокое сопротивление контактных площадок и измеряется в долях миллиампера или чуть больше.
К тому же его значительно уменьшает влажность воздуха. Ее влияние на величину напряжения тела при контакте с различными материалами показано на графике.
Из его анализа следует вывод: во влажной среде статическое электричество проявляется меньше. Поэтому для борьбы с ним используют различные увлажнители воздуха.
В природе статическое электричество может достигать огромных величин. При перемещении облаков на дальние расстояния между ними скапливаются значительные потенциалы, которые проявляются молниями, энергии которых бывает достаточно для того, чтобы расколоть вдоль ствола вековое дерево или сжечь жилое здание.
При разряде статического электричества в быту мы чувствуем «пощипывания» пальцев, видим искры, исходящие от шерстяных вещей, ощущаем снижение бодрости, работоспособности. Ток, действию которого подвергается наш организм в быту, отрицательно сказывается на самочувствии, состоянии нервной системы, но он не приносит явных, видимых повреждений.
Производители измерительного промышленного оборудования выпускают приборы, позволяющие точно определить величину напряжения накопленных статических зарядов как на корпусах оборудования, так и на теле человека.
Как защититься от действия статического электричества в быту
Каждый из нас должен понимать процессы, которые образуют статические разряды, представляющие угрозу для нашего организма. Их следует знать и ограничивать. С этой целью проводятся различные обучающие мероприятия, включая популярные телепередачи для населения.
На них доступными средствами показываются способы создания статического напряжения, принципы его замера и методы выполнения профилактических мероприятий.
Например, учитывая трибоэлектрический эффект, лучше всего для расчесывания волос использовать расчески из натурального дерева, а не металла или пластика, как делает большинство людей. Древесина обладает нейтральными свойствами и при трении по волосам не образует заряды.
Для снятия статического потенциала с корпуса автомобиля при его движении по сухой дороге служат специальные ленты с антистатиком, крепящиеся к днищу. Различные их виды широко представлены в продаже.
Если такой защиты на автомобиле нет, то потенциал напряжения можно снимать кратковременным заземлением корпуса через металлический предмет, например, ключ зажигания автомобиля. Особенно важно выполнять эту процедуру перед заправкой топливом.
Когда на одежде из синтетических материлов накапливается статический заряд, то снять его можно обработкой паров из специального баллончика с составом «Антистатика». А вообще лучше меньше пользоваться подобными тканями и носить натуральные материалы из льна или хлопка.
Обувь с прорезиненной подошвой тоже споосбствует накапливанию зарядов. Достаточно положить в нее антистатические стельки из натуральных материалов, как вредное воздействие на организм будет снижено.
Влияние сухого воздуха, характерного для городских квартир в зимнее время, уже обговорено. Специальные увлажнители или даже небольшие куски смоченной материи, положенные на бытарею, улучшают обстановку, снижают процесс образования статического электричества. А вот регулярное выполнение влажной уборки в помещениях позволяет своевременно удалять наэлектризованные частички и пыль. Это один из лучших способов защиты.
Бытовые электрические приборы при работе тоже накапливают на корпусе статические заряды. Снижать их воздействие призвана система уравнивания потенциалов, подключаемая к общему контуру заземления здания. Даже простая акрилловая ванна или старая чугунная конструкция с такой же вставкой подвержена статике и требует защиты подобным способом.
Как выполняется защита от действия статического электричества на производстве
Факторы, снижающие работоспособность электронного оборудования
Разряды, возникающе при изготовлении полупроводниковых материалов, способны причинить большой вред, нарущить электрические характеристики приборов или вообще вывести их из строя.
В условиях производства разряд может носить случайный характер и зависеть от ряда различных факторов:
величин образовавшейся емкости;
энергии потенциала;
электрического сопротивления контактов;
вида переходных процессов;
других случайностей.
При этом в начальный момент порядка десяти наносекунд происходит возрастание тока разряда до максимума, а затем он снижается в течение 100÷300 нс.
Характер возникновения статического разряда на полупроводниковый прибор через тело оператора показан на картинке.
На величину тока оказывают влияние: емкость заряда, накопленного человеком, сопротивление его тела и контактных площадок.
При производстве электротехнического оборудования статический разряд может создаться и без участия оператора за счет образования контактов через заземленные поверхности.
В этом случае на ток разряда влияет емкость заряда, накопленная корпусом прибора и сопротивление образовавшихся контактных площадок. При этом на полупроводник в первоначальный момент одновременно влияют наведенный потенциал высокого напряжения и разрядный ток.
За счет такого комплексного воздействия повреждения могут быть:
1. явными, когда работоспособность элементов уменьшена до такой степени, что они становятся непригодными к эксплуатации;
2. скрытыми - за счет снижения выходных параметров, иногда даже укладывающихся в рамки установленных заводских характеристик.
Второй вид неисправностей обнаружить сложно: они сказываются чаще всего потерей работоспособности во время эксплуатации.
Пример подобного повреждения от действия высокого напряжения статики демонстрируют графики отклонения вольт амперных характеристик применительно к диоду КД522Д и интегральной микросхеме БИС КР1005ВИ1.
Коричневая линия под цифрой 1 показывает параметры полупроводниковых приборов до испытаний повышенным напряжением, а кривые с номером 2 и 3 - их снижение под действием увеличенного наведенного потенциала. В случае №3 оно имеет большее воздействие.
Причинами повреждений могут быть действия от:
завышенного наведенного напряжения, которое пробивает слой диэлектрика полупроводниковых приборов или нарушает структуру кристалла;
высокой плотности протекающего тока, вызывающей большую температуру, приводящую к расплавлению материалов и прожигу оксидного слоя;
испытания, электротермотренировки.
Скрытые повреждения могут сказаться на работоспособности не сразу, а через несколько месяцев или даже лет эксплуатации.
Способы выполнения защит от статического электричества на производстве
В зависимости от типа промышленного оборудования используют один из следующих методов сохранения работоспособности или их сочетания:
1. исключение образования электростатических зарядов;
2. блокирование их попадания на рабочее место;
3. повышение стойкости приборов и комплектующих приспособлений к действию разрядов.
Способы №1 и №2 позволяют выполнять защиту большой группы различных приборов в комплексе, а №3 - используется для отдельных устройств.
Высокая эффективность сохранения работоспособности оборудования достигается помещением его внутрь клетки Фарадея - огражденного со всех сторон пространства мелкоячеистой металлической сеткой, подключенной к контуру заземления. Внутри нее не проникают внешние электрические поля, а статическое магнитное - присутствует.
По этому принципу работают кабели с экранированной оболочкой.
Защиты от статики классифицируют по принципам исполнения на:
физико-механические;
химические;
конструкционно-технологические.
Первые два способа позволяют предотвратить или уменьшить процесс образования статических зарядов и увеличить скорость их стекания. Третий прием защищает приборы от воздействия зарядов, но он не влияет на их сток.
Улучшить стекание разрядов можно за счет:
создания коронирования;
повышения проводимости материалов, на которых накапливаются заряды.
Решают эти вопросы:
ионизацией воздуха;
повышением рабочих поверхностей;
подбором материалов с лучшей объемной проводимостью.
За счет их реализации создают подготовленные заранее магистрали для стекания статических зарядов на контур заземления, исключения их попадания на рабочие элементы приборов. При этом учитывают, что общее электрическое сопротивление созданного пути не должно превышать 10 Ом.
Если материалы обладают большим сопротивлением, то защиту выполняют другими способами. Иначе на поверхности начинают скапливаться заряды, которые могут разрядиться при контакте с землей.
Пример выполнения комплексной электростатической защиты рабочего места для оператора, занимающегося обслуживанием и наладкой электронных приборов, показан на картинке.
Поверхность стола через соединительный проводник и токопроводящий коврик подключена к контуру заземления с помощью специальных клемм. Оператор работает в специальной одежде, носит обувь с токопроводящей подошвой и сидит на стуле со специальным сидением. Все эти мероприятия позволяют качественно отводить скапливающиеся заряды на землю.
Работающие ионизаторы воздуха регулируют влажность, снижают потенциал статического электричества. При их использовании учитывают, что повышенное содержание паров воды в воздухе отрицательно влияет на здоровье людей. Поэтому ее стараются поддерживать на уровне порядка 40%.
Также эффективным способом может быть регулярное проветривание помещения или использование в нем системы вентиляции, когда воздух проходит через фильтры, ионизируется и смешивается, обеспечивая таким образом нейтрализацию возникающих зарядов.
Для снижения потенциала, накапливаемого телом человеком, могут применяться браслеты, дополняющие комплект антистатической одежды и обуви. Они состоят из токопроводящей полосы, которая крепится на руке с помощью пряжки. Последняя подключена к проводу заземления.
При этом способе ограничивают ток, протекающий через человеческий организм. Его величина не должна превышать один миллиампер. Бо́льшие значения могут причинять боль и создавать электротравмы.
Во время стекания заряда на землю важно обеспечить скорость его ухода за одну секунду. С этой целью применяют покрытия пола с малым электрическим сопротивлением.
При работе с полупроводниковыми платами и электронными блоками защита от повреждения статическим электричеством обеспечивается также:
принудительным шунтированием выводов электронных плат и блоков во время проверок;
использованием инструмента и паяльников с заземлёнными рабочими головками.
Емкости с легковоспламеняющимися жидкостями, расположенные на транспорте, заземляются с помощью металлической цепи. Даже фюзеляж самолета снабжается металлическими тросиками, которые при посадке работают защитой от статического электричества.
Что же из себя представляет термин “Статическое электричество ” - совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках. Электризация происходит в процессе трения двух диэлектриков, то-есть фактически происходит отрыв электронов от вещества с образованием разности потенциалов на соприкасающихся поверхностях.
Чем опасно статическое электричество?
Но перейдем к практике, чем-же нам так мешает статика в нашей работе? На первый взгляд мы не видим этого и значит оно нам не грозит. Это неверное предположение, статика присутствует всегда, когда мы ходим или соприкасаемся с разными предметами и просто в жаркий солнечный день в воздухе, количество статического электричества может превышать все воображаемые пределы. Человек начинает ощущать статическое напряжение свыше 3000 вольт и увидеть искрение можно от 5000 вольт. Иногда мы на себе можем накапливать заряд до 10000 вольт, при том что радиоэлементы могут выйти из строя при токах возникающих при напряжении уже в 5 вольт. Согласно общей статистики от электростатического разряда выходят из строя более 50 процентов всех электронных компонентов, а цифра уже собранной и эксплуатируемой продукции превышает 60 процентов.
Важно знать что величина статического электричества зависит от многих факторов, основной это относительная влажность воздуха:
| Наши повседневные действия | Относит. влажность более 70 процентов | Относит. влажность менее 20 процентов |
| Мы идем по текстильному напольному покрытию | 1500 вольт | 35000 вольт |
| Мы идем по виниловому напольному покрытию | 250 вольт | 1200 вольт |
| Забираем со стула пакет из полиэфирного материала | 600 вольт | 20000 вольт |
| Отклеивание куска клейкой ленты | 1500 вольт | 12000 вольт |
| Открытие пластиковой папки | 600 вольт | 7000 вольт |
Так что не обязательно нам что-то специально натирать что-бы получить статический разряд, это происходит всегда без нашего на то желания.
Как бороться со статическим электричеством?
Первое и самое важное правило, рабочий инструмент и приборы должны быть обязательно заземлены. При работе с радиоэлементами и собранными устройствами на руку человека надевается специальный антистатический браслет который соединяется с точкой заземления через резистор в 1 МОм.
Рабочий стол тоже должен быть заземлен, на рабочей поверхности должно быть покрытие которое имеет может максимально проводить электрические разряды, оно должно иметь малое сопротивление. Также необходимо соблюдать чистоту в рабочем помещении или мастерской. Проводить как можно чаще влажную уборку. В помещении где производится ремонт положить специальное проводящее напольные покрытие обеспечивающие отвод накопившегося зарядка с соприкасающихся поверхностей к точке заземления.
Это лишь малая часть информации касающейся антистатической безопасности, на просторах интернета есть массу сайтов посвященных именно данной теме на которых написано много полезных советов и правил соблюдая которые вы сможете максимально обезопасить свое рабочее место. При этом самым повысив рентабельность и качество всех выполняемых работ.
______________________
Вы собираетесь купить дом масса выгодных предложений.
В нашей жизни мы каждый день сталкиваемся с действием статического электричества. Иногда это нас раздражает, кого-то даже пугает, кто-то не обращаем внимания на подобные вещи. Но всегда лучше знать, что нас окружает и как избежать незанчительных, но всегда неприятный последствий действия статического электричества. В этом совете ма как раз и расскажем вам об этом.
По теории все вещества в своём составе имеют атомы. В атоме одинаковое число протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, то есть имеют противоположную полярность и взаимно притягиваются. Атом находится в равновесии. Но электроны могут перемещаться, тогда образуются положительные и отрицательные ионы. Ионы сами не перемещаются. Когда их заряд увеличивается или уменьшается, возникает дисбаланс, то есть статическое электричество. Статический заряд может быть положительным или отрицательным. Заряды с одинаковой полярностью отталкиваются, с противоположной притягиваются.
По способности проводить заряды вещества условно делят на проводники, полупроводники и диэлектрики. Статические заряды возникают на поверхности твёрдых материалов и жидкостей при больших скоростях вращения, движения, при дроблении, при контактах и разъёме между соприкасающимися материалами, при быстром увеличении температуры, при высоком ультрафиолетовом или рентген излучении, высокой радиации, при индукции в сильном электрическом поле, при низкой влажности воздуха. При влажности воздуха ниже 50% диэлектрические материалы сильнее электризуются, при влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает, так как воздух становится электропроводным.
В нашей жизни мы каждый день сталкиваемся с действием статического электричества. Мы никогда не сможем отказаться на работе и в быту от современного оборудования, приборов, машин, тканей, жидкостей, поэтому всегда будем сталкиваться с действием статического электричества.
В промышленных производствах при работе с листовыми пластиками (их соединение и разъединение), в текстильной и бумажной промышленности (сматывание и разматывание рулонов ткани и бумаги) всегда наблюдаются явления электризации. В мукомольной промышленности, в производстве сахара, в колбасном производстве (при измельчении, фильтровании, просеивании, пересыпании веществ) возникает статическое электричество. Статическое электричество возникает и в нефтепереработке, на спиртзаводах при переливании и перекачке жидкостей. Со статическим электричеством встречаются в химическом производстве при изготовлении пластмасс; в радиоэлектронной промышленности при производстве и транспортировке приборов и микросхем; в офисных помещениях, где находятся телевизоры, компьютеры и различная оргтехника. Кондиционеры и вентиляторы, выдувая наэлектризованные пылинки, повышают статический заряд в помещении; любые электроприборы создают при работе электростатические поля. Электростатические заряды возникают на поверхности самолёта при трении об воздух; на поверхности автомобиля, двигающегося в сухую погоду, если резина колёс обладает хорошей изоляцией. Статическое электричество может возникнуть в результате индукции от электрического поля высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) или грозы. Простым примером возникновения статического заряда может быть ходьба, когда происходит контакт подошвы с ковром, затем их разделение.
Дома источником статического электричества служат любые электроприборы, телевизор, компьютер, экран монитора, синтетическая одежда, шторы из синтетики и подушки, полиэтиленовые пакеты, даже расчёска из пластика. Все мы знаем, как волосы тянутся за расчёской, так как заряжены с ней разноимённо, и встают "дыбом", так как зарядились между собой одинаковым зарядом и поэтому разлетаются в разные стороны.
Величина зарядов статического электричества зависит многих вещей: от электропроводности материалов, от их диэлектрической проницаемости, от скорости движения, от трения частиц, от температуры и влажности воздуха. Статические заряды могут частично взаимно нейтрализоваться из-за некоторой электропроводности воздуха, могут стекать на землю по поверхности оборудования.
Но в некоторых случаях заряды велики и разность потенциалов велика. Тогда происходит искровой разряд между наэлектризованными частями оборудования или происходит разряд на человека. Например, у машины под линией ЛЭП может зарядиться наведённым зарядом металлическая дверь и разрядится она на дотронувшегося до двери человека, что может быть опасно для человека. Большая опасность возникает при молниях. При движении воздушных потоков облака могут образовывать электрические разряды, также разряды могут быть между заряженными облаками и землёй. Эти разряды могут разрядиться на человека, где нет молниеотводов.
Ещё пример статического разряда. Часто бывает, что водитель получает электроудар, покидая свою машину, потому что между сиденьем и одеждой в момент подъёма возникает заряд. Однако можно избежать удара, если до подъёма водитель дотрагивается до металлической детали (до рамы), тогда заряд успевает безопасно стечь через кузов и шины на землю.
Возникновение разрядов (искрение) на производствах - нежелательно, так как препятствует нормальной работе. Статическое электричество для различных электронных приборов - транзисторов, микропроцессоров - вредно, так как возникающее искрение имеет высокое напряжение и может вывести из строя.При искрении может возникнуть опасность пожара там, где ведётся работа с горючими жидкостями, смесями, легко воспламеняющимися растворами. У таких смесей, жидкостей есть минимальная энергия воспламенения. Это приходится учитывать. Если эта энергия ниже энергии разряда, возникает возгорание.
Человеческое тело является хорошим проводником, но так же может накапливать заряды. Если оператор находится в электрическом поле и держится за заряженный объект (например, за намотанную бобину плёнки), то его тело зарядится. Заряд остаётся в теле человека, если он в обуви на изолирующей подошве. Если оператор дотронется до металлических деталей, заряд может стечь и оператор получит электроудар, то - есть проскакивает искра. Так точно при работе с воспламеняющимися жидкостями. Если тело оператора будет генерировать заряд (передвижение по диэлектрикам, одет в синтетическую ткань, обувь с изолирующей подошвой), оператор может спровоцировать возгорание жидкости или растворителя.
В ряде случаев статическая электризация человека последующий разряд с человека на землю или заземлённое оборудование или разряд с незаземлённого оборудования через тело человека могут вызвать боль или нервные ощущения у человека. Человек в результате неожиданного болевого укола может сделать в ответной реакции резкие движения, упасть с высоты, получить травму, испугаться возникшего возгорания жидкости. В этом опасность статических разрядов. При разрядах электротравмы нет, но считается, что электрическое поле повышенной напряжённости вредно для человека. При длительном пребывании в таком поле могут наблюдаться изменения в сердечно - сосудистой или в центрально - нервной системах. Может возникнуть у человека фобия из - за страха ожидаемого удара. У людей, особенно в офисах, где много компьютеров и оргтехники, встречаются жалобы на головную боль, раздражительность, нарушение сна, аппетита. Вопрос влияния статического электричества на человека мало изучен.
Большой вред статическое электричество приносит на производстве, поэтому там принимают меры для защиты от статического электричества. При этом учитываются особенности технологического процесса, свойства обрабатываемых материалов и жидкостей.
Во -первых, проводят постоянный отвод статического электричества с помощью заземления. Так, например, если плёнка будет находиться на металлическом валу, и вал заземлён, заряд стекает на землю и разряда не будет. Для устранения статического электричества делают заземление корпусов оборудования.
У самолётов на шасси и днище фюзеляжа закреплены металлические тросики, что позволяет снимать статические заряды, образовавшиеся в полёте.
Для снятия статических зарядов с кузова автомобиля к днищу прикрепляют электропроводную полоску - "антистатик". Если водитель замечает при выходе из автомобиля, что кузов искрит, он должен разрядить кузов, прикасаясь металлическим ключом. Особенно это надо сделать перед заправкой машины бензином. Для человека разрядка в данном случае не опасна.
Для диэлектрических жидкостей, например, для нефтепродуктов вводят в основной продукт специальные присадки (элеат хрома, элеат кобальта др.) Для всех диэлектрических жидкостей (бензин, спирт др.) ограничивают разбрызгивание, плескание. Не допускается наполнение резервуаров свободно падающей с высоты струёй. Сливной шланг надо опускать до самого дна цистерны. Наконечники сливных шлангов надо заземлять гибким медным проводником. В состав резиновых шлангов для перекачки легко воспламеняющихся жидкостей вводят присадки (антистатические вещества, как графит, сажа), что снижает опасность воспламенения при переливании в авто- и железнодорожные цистерны. При сливе бензина на заправке бензовоз - заправщик заземляется дополнительно.
Для снижения действия статического электричества стараются применять материалы с большей электропроводностью или вводят антистатические присадки. Так для полов применяют антистатический линолеум. Регулярно делают антистатическую обработку ковролина, синтетических тканей. Соприкасающиеся предметы лучше изготовить из одного материала. Так полиэтиленовый порошок лучше хранить в полиэтиленовых бочках.
Влажный воздух имеет достаточную электропроводность. Поэтому увлажнение воздуха, например, в офисах, где много компьютеров, оргтехники, может быть одним из простых и доступных методов устранения статического электричества. Увлажнение воздуха более 70% обеспечивает постоянный отвод статических зарядов.
Есть другой метод устранения статических зарядов - ионизация воздуха. При работе ионизатора его ионы нейтрализуют заряды статического электричества. На производствах используют мощнейшие ионизаторы воздуха разной конструкции (индукционные, высоковольтные, радиационные). С помощью бытовых ионизаторов устраняют заряды на одежде, коврах, синтетических покрытиях.
Отвод статического электричества с человека на производствах осуществляют устройством электропроводящих полов, площадок, трапов. Обеспечивают средствами индивидуальной защиты - антистатические халаты, обувь на кожаной подошве или подошве из электропроводной резины.
Дома можно увлажнять воздух, поместив на батареи отопления влажные полотенца. Можно применять разные антистатики для тела, для тканей, чтобы не прилипала юбка к ногам, чтобы не трещал и не искрил свитер, когда снимаем. Для волос можно выбрать гребень из дерева, а если расчёска всё же из пластика, служит вода, масло розы, лаванды, да многое можно найти при желании придать волосам красоту и блеск себе на радость.
Последние советы раздела «Наука &Техника»:
Вам помог этот совет? Вы можете помочь проекту, пожертвовав на его развитие любую сумму по своему усмотрению. Например, 20 рублей. Или больше:)
Под статическим электричеством подразумевают совокупность явлений, связанных с возникновением электрических зарядов на поверхности диэлектриков или изолированных проводящих тел и различным их проявлением. В основе образования статического электричества лежат очень сложные процессы, зависящие от многих факторов. В настоящее время нет единой теории, объясняющей статическую электризацию, а существует ряд гипотез. Общим для них является положение о том, что при электризации образуется двойной электрический слой, который служит непосредственным источником возникновения статических зарядов (Л. Леб, 1963).
Наибольшее распространение имеет гипотеза контактной электризации вещества. Согласно этой гипотезе электризация происходит при соприкосновении двух различных веществ в силу неуравновешенности атомных и молекулярных сил на поверхности соприкосновения. При этом происходит перераспределение электронов или ионов вещества и образование двойного электрического слоя (по одному на каждой поверхности) с противоположными знаками. Такая электризация наблюдается при контакте металла с полупроводником или диэлектриком, резин и других тел (Й. Староба, Й. Шиморда, 1960). Величина контактной разности потенциалов неодинакова и зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся поверхностей, состояния поверхности, давления между ними, а также от влажности и температуры. При разделении поверхностей каждая поверхность сохраняет свой заряд.
По другим гипотезам, статическую электризацию обусловливают явления эффекта удара и отрыва; поверхностная ориентация нейтральных молекул, содержащих электрические диполи; пьезо-электрические явления при трении, образование электролитов на контактирующих поверхностях и другие процессы. Экспериментально установлено, что электрические заряды накапливаются на поверхности соприкасающихся материалов, диэлектрическая проницаемость которых различна. Положительные заряды накапливаются на поверхности материала, диэлектрическая проницаемость которого больше. Незаряженное, электрически нейтральное, тело означает присутствие в одно и то же время в равных количествах двух противоположных видов зарядов.
Возникновение электрических зарядов на телах сопровождается появлением статического электрического поля (СЭП), в котором они взаимодействуют друг с другом. Отрицательная электризация, т. е. избыток электронов в полимере, не может вызвать подвижности электронов в молекулах и перераспределения их в объеме. За счет избыточных свободных электронов при снижении взаимодействия положительно заряженных частиц могут образовываться дополнительные химические связи, протекать различные химические реакции.
В последние годы получили широкое применение в быту и различных отраслях техники синтетические полимеры. Это - одежда, белье, обувь, покрытия из пластмасс, коврики из латекса и поливинилхлорида, посуда из полиэтилена, корпуса автомашин, судов, самолетов, различного оборудования. Синтетические полимеры представляют собой диэлектрик, на поверхности которого накапливается электрический заряд. Человек может и не подозревать, что на его теле распределяются электрические заряды, но если зарядов накопилось много, он может ощутить их присутствие, прикоснувшись к металлическому предмету, например, к водопроводному крану или к батарее парового отопления. В этом случае человек почувствует удар тока.
Особенно сильно электризация проявляется при контакте резиновой обуви на синтетической подошве с резиновыми дорожками, пластмассовыми покрытиями полов и при трении одежды о тело (К. А. Рапопорт, 1965). При выполнении различных производственных операций или ходьбе по ковру на поверхности тела человека могут возникать электрические заряды до 10- 15 кВ. На некоторых видах одежды из синтетических тканей тоже возникают большие заряды статического электричества - около 3000-5000 В/см.
В химической, текстильной, полиграфической и многих других отраслях промышленности при любом технологическом процессе, где присутствует динамическое взаимодействие (смешение, распыление, перемещение по трубам, "дробление, разделение, механическая обработка диэлектрических материалов, и др.) на поверхности оборудования и обрабатываемого материала образуются электрические заряды. Возникающие при этом СЭП оказывают отрицательное влияние на течение производственного процесса и качество продукции.
Электрические заряды вызывают взаимное отталкивание одноимённо заряженных нитей, слипание листов бумаги, диэлектрической пленки. Создаются значительные трудности в процессе производства, переработки, упаковки и транспортировки синтетических материалов.
В одних случаях заряды быстро стекают в землю, рассеиваются и нейтрализуются, в других - накапливаются на отдельных элементах оборудования. При этом создаются СЭП высоких напряжений, вызывающие электрические разряды. Во взрывоопасных производствах, связанных с применением легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, горючих газов и пылей, искровые разряды статического электричества могут вызывать взрывы и пожары, приводящие к значительным убыткам, увечьям или человеческим жертвам.
Механизм искрового разряда напоминает явления атмосферного электричества. Обладая энергией, в миллионы раз меньшей по сравнению с молнией, разряды статического электричества способны тем не менее поджечь любую горючую смесь, образующуюся или присутствующую в производственных процессах.
Там, где применяются легковоспламеняющиеся среды, реальную опасность их воспламенения от разрядов статического электричества представляет человек. При постоянном контакте с заряженным оборудованием или материалом, а также при ходьбе по пластмассовым полам тело человека, будучи хорошим проводником, накапливает электростатические заряды. Разность потенциалов между телом человека и окружающими предметами может достигать огромных величин - десятков тысяч вольт. И стоит только такому наэлектризованному человеку приблизиться к металлическим заземленным конструкциям, как возникает искровой разряд.
При средней электрической емкости человека 200 пФ и потенциале тела относительно земли 10 000 В величина энергии разряда будет составлять 10 мДж. Это во много раз больше той энергии, которая необходима для воспламенения или взрыва целого ряда взрывчатых веществ, а также паро- и газовоздушных горючих смесей. Например, для воспламенения наиболее чувствительных к тепловому импульсу воздушных смесей водорода, метана или бензола требуется энергия искрового разряда, соответственно, 0,02, 0,33, 0,55 мДж.
Статическое электричество и взрывы могут наблюдаться также при транспортировке сыпучих продуктов или жидкостей по трубопроводам из полимерных материалов. Возникновение зарядов при движении жидкости объясняется гипотезой, предполагающей, что на поверхности раздела жидкой и твердой фаз образуется двойной электрический слой. Любая молекула, расположенная внутри объема жидкости, испытывает со стороны молекул воздействие сил Ван-дер-Ваальса и Кулона. При этом действие всех сил взаимно уравновешивается, тогда как на молекулы, находящиеся в пограничном слое, действуют неуравновешенные силы, направленные к поверхности раздела, создающие силовое и электрическое поле. Ориентированные в этом поле молекулы образуют двойной электрический слой - отрицательно заряженные частицы располагаются с наружной стороны слоя жидкости, положительно заряженные - внутри.
В случае нарушения равновесия двойного слоя, как это наблюдается при движении жидкости, происходит пространственное разобщение зарядов, в результате чего поверхности трубопроводов и жидкости оказываются заряженными электричеством противоположного знака. Величина образующегося электрического заряда возрастает обратно пропорционально скорости течения жидкости, шероховатости и длине трубы. Большие скопления зарядов отмечаются в местах повышенного динамического сопротивления, т. е. при выходе жидкости, на поворотах, в сужениях, расширениях и пр.
Опыты показали, что скорость транспортирования по трубопроводам горючих жидкостей с высоким электрическим сопротивлением порядка 10-10 Ом во избежание скопления опасного потенциала не должна превышать 1 м/с. Для ацетона скорость протекания должна быть не выше 10 м/с.
Для жизни человека разряды статического электричества не представляют смертельной угрозы: они либо кратковременны, либо малых токов. Однако физиологическое воздействие на организм человека они оказывают. Частые разряды статического электричества вызывают нервозность у рабочих, что приводит иногда к нарушению технологических режимов, снижению производительности труда. В результате мышечной реакции, вызванной электрическими ударами возможны механические увечья от подвижных и плохо защищенных частей оборудования. Отмечены случаи падения людей с высоты при получении ударов от разряда статического электричества.
Образование на синтетических материалах статического электричества приводит к быстрому загрязнению их поверхности. В связи с этим возникают определенные неудобства при эксплуатации мебели, осветительных приборов, предметов домашнего обихода, изготовленных из пластмасс и др.
Установлено, что загрязняемость одежды из синтетического волокна в 300-500 раз больше, чем одежды из хлопчатобумажной ткани. При ношении такой одежды из синтетической ткани у человека быстро ухудшается микроклимат, в результате чего нарушается кожное дыхание, теплообмен и т. д.
Электризация синтетических материалов способствует более интенсивному выделению из них составных компонентов (В. А. Цендровская, А. М. Шевченко, 1969) и увеличивает скорость их химической деструкции. Опасность статического электричества, образуемого на поверхности полимеров, заключается еще и в том, что выделяющиеся из них летучие токсичные вещества, приобретая потенциал, легче проникают в организм.
Ученые многих стран сейчас заняты проблемой борьбы с электризацией. Но, оказывается, не каждую электризацию нужно уничтожать. Так, СЭП Земли постоянно влияет на жизнедеятельность организма, но изоляция человека от этого поля неблагоприятно скажется на его самочувствии. Примером может служить плохое самочувствие некоторых лиц во время путешествия в цельнометаллических вагонах и самолетах, когда СЭП Земли экранизируется металлическим корпусом (Ю. Морозов, 1969).
Для измерения электростатических зарядов в естественных условиях используются различные измерительные приборы, применение которых зависит от вида синтетического материала и окружающей среды. Для измерения величины потенциала, накапливаемого на полимерных материалах, в лабораторных условиях создан прибор, моделирующий основные факторы - скорость трения, нагрузку на образцы материалов (К. И. Станкевич, В. А. Цендровская, 1970).
Степень электризации полимерных материалов в значительной мере зависит от химического состава и электропроводящие свойств. Например, электризация поливинилхлоридных (ПВХ) плит на латексной смоле более чем в 20 раз меньше, чем на суспензионной смоле. Низкой степенью электризации обладают ПВХ-плиты, изготовленные на смеси латексной и суспензионной смол. Наименьшей электризуемостью обладают пластмассы, имеющие в своем составе наполнители, обладающие гидрофильными свойствами.
Существенное влияние на электризуемость полимерных материалов оказывает влажность (рис. 1). При влажности 60- 80% величина заряда уменьшается в 2-3 раза. При влажности 80% образуется мономолекулярный слой, что обусловливает потерю способности материала накапливать на поверхности заряды статического электричества. Уменьшение содержания влаги в воздухе приводит к увеличению проводимости полимерного материала.
Адсорбированная на поверхности материала вода при изменении влажности среды десорбируется, а образец в течение нескольких месяцев сохраняет свои диэлектрические свойства. Однако при длительном хранении на воздухе способность пластмасс накапливать заряды статического электричества падает. Это, по-видимому, объясняется деструктивными изменениями
Рис. 1.
Накапливаемого на полимерах, от влажности окружающего воздуха.
Рис. 2.
Накапливаемого на полимерах, при относительной влажности: А- 30%, Б, В-50%, Г, Д - 60%. материала под действием не только воды, но и других факторов внешней среды.
Существует также определенная математическая зависимость между величиной заряда, накапливаемого на полимерном материале, и температурой окружающей среды (рис. 2). Зависимость величины заряда от температуры носит обратный характер - с уменьшением температуры при одной и той же влажности наблюдается увеличение заряда. Однако влияние температуры на величину заряда значительно менее выражено, чем влажности.
Для некоторых синтетических материалов например, одежды на основе нейлона, зависимость от температуры может быть выражена следующей формулой (Capt James, 1963):
Где Q -величина заряда;
А и В = постоянные величины;
Т -температура воздуха.
При исследовании одежды в условиях Крайнего Севера было подтверждено, что расчеты по этой формуле можно проводить для определения электризации при температуре от -45 до 10° С. Зная величины зарядов в условиях двух температур, можно рассчитать величину заряда, возникающего при любой другой температуре.
Из полимеров, используемых для покрытий пола, наибольшей электризуемостью обладают ПВХ-линолеум и плиты. При влажности воздуха 15-30% величина заряда на покрытиях полов из ПВХ-линолеума может достигать около 2000 В. При относительной влажности воздуха и температуре 20±3°С возникает стабильное поле статического электричества, величина которого зависит от наличия и характера электрической аппаратуры. В помещениях с паркетными полами напряженность поля у поверхности пола и на теле человека не превышает 50 В/см. В то же время в помещениях с большим количеством аппаратуры на поверхности пола, покрытого ПВХ-линолеумом, величина заряда достигает нескольких десятков киловольт. При хождении по этим полам на теле рабочих накапливаются заряды до 40 кВ и более. Более низкими электрическими свойствами обладает релин, нитролинолеум, кумароновые плиты.
Исследования электризуемости покрытий пола из полимерных материалов в естественных условиях разных климатических зон СССР показали, что величина заряда статического электричества колеблется в основном в пределах 300-500 В/см. Иногда она достигает 1500-2000 В/см при низкой влажности воздуха (20-25%), в основном на импортных пластиках, содержание связующего вещества в которых составляет около 50% всей массы материала. Мнение о том, что в условиях Заполярья и Казахстана, где бывает низкая относительная влажность атмосферного воздуха (10-20%), электризуемость покрытий пола из полимерных материалов достигает десятков киловольт, не оправдалась. Это обусловлено тем, что низкая относительная влажность отмечается только в открытой атмосфере, а внутри помещения она нивелируется во всех климатических зонах.
При массовом опросе населения, проживающего в помещениях с пластмассовыми покрытиями полов, выявлено, что жалобы на действие статического электричества в основном сводятся к головным болям, быстрой утомляемости, боли в области сердца.
Существенное значение при электризации пластмассовых покрытий пола имеет вид подошвенного материала обуви. Из 9 (ВМШ, кожа, БШ, БМ, ВМ, вулканит, ж, кожволокарнит, войлок) подошвенных материалов наибольшую электризуемость ПВХ-линолеума при 60% влажности воздуха вызывает кожзаменитель марки ВМШ (1400 В), а наименьшую - войлок (710 В).
Величина заряда, возникающего при трении, позволяет не только судить о влиянии электростатического поля в гигиеническом аспекте, но и дать оценку степени электризации по сравнению с потенциалом. Величина потенциала определяется с помощью вольтметра (киловольтметра) и зависит от емкости его. Поэтому одно и то же значение потенциала, регистрируемое с помощью вольтметра, соответствует различному количеству электричества на исследуемой поверхности.
Большое влияние на уровень электризуемости полимерных материалов оказывает мытье полов, оборудования, стирка одежды и т. д. Установлено, что после однократного смачивания и сушки образцов в течение 15 мин величина заряда на их поверхности уменьшается в 2-3 раза, а после многократного смачивания и сушки в течение 14 сут-в 10-12 раз. Следовательно, в условиях эксплуатации после многократной и продолжительной обработки поверхности водой, способность их к накоплению зарядов статического электричества, уменьшается примерно в 10-12 раз.
Известно, что поверхностное сопротивление материалов, определяет его способность к статической электризации (Л. Леб, 1963). Исследования показали, что после кратковременного смачивания и сушки образцов на воздухе в течение 15 мин их поверхностное сопротивление уменьшается в 5-10 раз, а после сушки в течение суток-1,5-3 раза. Если эти образцы подвергнуть многократному смачиванию, то их диэлектрические свойства не восстанавливаются даже через 10 сут после последнего смачивания. Вероятно, это объясняется тем, что образцы содержат в своем составе вещества, которые могут адсорбировать влагу в больших количествах (глину, тальк, барит, известковую муку). Смачивание образцов приводит к поглощению влаги во всем материале. Десорбция из внутренних слоев происходит значительно медленнее, чем с поверхностных.
Из факторов, влияющих на уровень накопления статического электричества на полимерных материалах, следует отметить также нагрузку на образец. Величина заряда прямо пропорциональна нагрузке. Увеличение нагрузки в 2 раза приводит к увеличению заряда в 1,3-1,5 раза.
На уровень электризации синтетических тканей существенное влияние оказывают их проводимость и сорбционные свойства. Наибольшей электризуемостью обладают материалы с низкой проводимостью и сорбционными свойствами (Э. X. Цирин, 1973).
Между электризуемостью тканей и их сорбционными свойствами отмечается четкая корреляция (табл. 3).
Таблица Зависимость электризуемости текстильных материалов от их сорбционных свойств
| Сорбцнонные свойства | Вид волокна | ||||
| триацетат | ацетат | вискоза | хлопок | шерсть | |
| Гигроскопичность, % | |||||
| при относительной влаж | |||||
| ности 45% | 2,3 | 4,5 | 9,4 | 6,6 | 9,1 |
| при относительной влаж | |||||
| ности 100% | 8,1 | 14,9 | 0,34 | 2,14 | 1,3 |
| Водоемкость, ч | |||||
| минимальная | 0,17 | 0,34 | 0,86 | 0,65 | 1,30 |
| максимальная | 1,54 | 2,14 | 3,17 | 3,12 | 3,90 |
| Напряженность электростати | |||||
| ческого поля на поверхности | |||||
| материала, кВ/см | 1,5 | 1,3 | 0,05 | 0,10 | 0,08 |
В сновальном цехе статическое электричество на теле рабочих не регистрируется, а на оборудовании составляет 1 кВ. Примерно в тех же пределах определяются величины статического электричества на технологической линии трикотажной фабрики. Наибольшие уровни статического электричества накапливаются на ворсовальной машине, в частности при изготовлении хлопчатобумажных изделий (до 20-30 кВ), полушерстяных (до 20 кВ), шелковых с вискозой (до 30 кВ), капроновых (до 40 кВ).
Электризуемость рабочих, участвующих в различных технологических процессах, составляет: при работе на ворсовальной машине - от 0,5 до 2 кВ (в зависимости от вида ткани), на стригальной машине - от 1,5 до 3 кВ. В основовязальном цехе и на других участках электризации не наблюдается.
Весьма важной и актуальной задачей является разработка мероприятий, исключающих или снижающих возможность воздействия статического электричества на человека на производстве и в быту. Для снижения электризуемости диэлектриков разработано несколько методов: ионизация окружающей среды, установка специальных приборов - нейтрализаторов и увеличение проводимости материалов. Среди них наиболее эффективным является увеличение проводимости полимеров за счет внесения в их состав антистатических агентов. С помощью этих веществ удаляют статические заряды, которые могут накапливаться на поверхности материала, поэтому они должны быть гидрофильными или ионными по природе.
Применение антистатических препаратов на производствах в нашей стране находится в стадии становления. Результаты первых экспериментальных исследований полимерных материалов с введенными в их состав антистатиками подтвердили перспективность этого метода. Нанесение на поверхность антистатика снижает электризуемость материала в 2-5. раз.
Большое значение имеют антистатические свойства препарата и его количество. Среди изученных 8 антистатических препаратов (стеарокс-6, стеарокс-920, оксалин G-2, синтанол ДТ-7, синтанол ДС-10, оксанол УС-17, оксанол 0-18, препарат ОС-20) наиболее эффективными были оксанол 0-18, оксалин С-2 и синтанол ДС-10.
Основные требования, предъявляемые к антистатическим агентам, следующие. Они должны препятствовать аккумуляции статических зарядов или очень быстро их разряжать. Кроме того, антистатические агенты должны увеличивать поверхностную проводимость пластмасс таким образом, чтобы ассоциированные заряды быстро стекали в окружающую атмосферу. Увеличение поверхностной проводимости может быть достигнуто либо повышением концентрации влаги в материале за счет увеличения гигроскопичности его поверхности или создания органических проводящих слоев.
Одним из эффективных методов снижения аккумуляции статического электричества является уменьшение коэффициента трения между полимером и материалом, контактирующим с ним. Для этого необходимо, чтобы антистатический агент образовывал на поверхности пластмассы резиноподобную пленку.
В настоящее время огромное количество веществ предложено в качестве антистатических агентов. Большинство из них принадлежит к одному из 5 классов: нитросоединения (длинные цепи аминов, амидов и четвертичные основания или соли), сульфокислоты или арилалкилсульфонаты, фосфорсодержащие кислоты или арилалкилфосфаты, полигликоли и их производные, включающие полигликолевые эфиры жирных кислот и полигликольарилалкилпроизводные, многогидролизные спирты и их производные.
Антистатические агенты наносят на поверхность пластмасс или вводят в состав их. Более эффективными являются антистатические добавки, вводимые в состав пластмассы. Материалы, применяемые для этих целей, должны обладать небольшим электрическим сопротивлением и образовывать пленку на поверхности с низкой поверхностной энергией растворов воды или других летучих растворителей.
Эффективность всех антистатических агентов в значительной степени понижается с уменьшением атмосферной влажности. Это, вероятно, связано с тем, что небольшие количества сорбционной влаги оказывают влияние на ионизацию, которая может происходить в неионных антистатических агентах.
Образовывать антистатическую поверхность могут многие химические соединения. В то же время для введения этих веществ в состав полимеров выбор более ограниченный, поскольку их эффективность может быть специфичной для каждого типа пластмассы. Например, четвертичные аммонийные соединения более предпочтительны для использования в полистироле, а полиэтиленгликолевые эфиры - в полиэтилене. Кроме того, эти добавки должны обладать определенной совокупностью свойств. По химическим свойствам они должны обладать определенной совместимостью с пластмассой, так как существуют пределы, при которых эффективность бывает самой высокой. Очень большая совместимость ведет к полному растворению агента в пластмассе. Следовательно, на поверхности материала должно быть всегда определенное количество вещества, сообщающего антистатические свойства. Если поверхностный слой смывается, то антистатик остается в массе материала и не поднимается на поверхность. Весьма низкая совместимость приводит к расслоению массы. Это может произойти с соединением низкого молекулярного веса и привести к такому нежелательному результату, как выпотевание. Опыты и наблюдения в естественных условиях показали, что агент должен обладать средней совместимостью с пластмассой.
Совместимость определяют по способности антистатического агента диффундировать через материал. Это свойство особенно важно и является показателем продолжительности эффективной жизни агента. Очевидно, что соединения с низким молекулярным весом будут свободно перемещаться в массе материала к его поверхности. В таких случаях, несмотря на то что эффективность агента может быть хорошей, его жизнь будет недолгой. При обычном использовании агент может быть легко стерт, а поскольку количество его ограничено, то его активность не может быть продолжительной. В то же время соединения с высоким молекулярным весом или высокой совместимостью будут перемещаться медленнее и активность их будет продолжительней. Кроме того, если совместимость добавки с пластмассой очень высока, то требуется больше антистатического агента, в связи с чем ухудшаются его механические свойства.
Скорость диффузии определяется временем, которое необходимо, чтобы на поверхности создавалась максимальная концентрация, или временем между производством продукта и получением им антистатических свойств. Равновесие между совместимостью и скоростью диффузии можно регулировать двумя методами. Прежде всего действие антистатического агента можно изменять, добавляя второй компонент, при этом увеличивается или уменьшается совместимость и последующее перемещение. Другим способом может быть создание такого антистатического агента, в молекулярную структуру которого входят химические соединения, устанавливающие равновесие между совместимостью и способностью к перемещению. Например, серия спиртовых четвертичных аммонийных соединений может быть приготовлена с различными катионными и анионными соединениями.
Многие антистатические агенты не применяются вследствие их термической нестабильности при производстве и обработке пластмасс. В настоящее время существует мало соединений с устойчивой химической структурой, которые могут дать постоянный антистатический эффект и одновременно выдержать высокую температуру и давление, не разрушаясь. Например, установлено, что четвертичные аммонийные соединения нестабильны при высокой температуре и при обработке пластмасс
Такая реакция опасна не только потому, что добавляемое вещество теряет свои антистатические свойства, но и тем, что освобождается кислота, увеличивающая коррозию оборудования, употребляемого в производстве пластмасс.
Антистатические агенты должны обладать низкой летучестью и нетоксичностью и оказывать длительный антистатический эффект. Предусмотреть продолжительность действия антистатического агента очень трудно, так как в процессе эксплуатации пластмасс постоянно нарушается поверхностный слой его, диффузия и равновесие антистатика.
Вносимые в пластмассу антистатические добавки должны составлять определенный процент по отношению к ней. Оптимальная концентрация антистатических агентов зависит главным образом от их родства к полимеру и поверхности в единице объема, т. е. насколько поверхность частиц в единице объема в добавке больше, чем в полимере. Наблюдения показали, что для образования долговечного поверхностного слоя нужна минимальная концентрация соединений. Дальнейшее повышение концентрации не дает немедленного эффекта, хотя, возможно, при этом образуется резерв для пополнения потерь соединения при распаде.
Агент должен иметь молекулярный вес настолько низкий, чтобы мигрировать к поверхности, и в то же время достаточно высокий, чтобы обладать некоторым сопротивлением и не быть легко удаленным с поверхности. Антистатики должны быть бесцветными или же иметь слабую окраску, так как сильно окрашенные соединения вызывают определенные затруднения в получении бледных тонов.
Действие антистатических агентов должно основываться на одном или нескольких физических явлениях: на гигроскопичности - собирать воду из атмосферы, полярности - агент представляет полярное соединение и проводит ток, вязкости - агент должен иметь такую степень вязкости, чтобы он захватывал электроны, движущиеся к поверхности.
Универсальных антиэлектростатических агентов не может быть, поскольку они определяются видом пластмассы, ее назначением и т. д.
В последнее время большое внимание уделяется изучению биологического действия статического электричества. Этот интерес не случаен. Известно, что статическое электричество, возникающее, например, при ношении хлоринового белья оказывает лечебное действие (К. А. Рапопорт, 1965) при некоторых неврологических заболеваниях (ревматизме, радикулите, плекситах и т. д.). Вероятно, здесь наблюдается тот же эффект, что и при одном из методов электротерапии - франклинизации. Под франклинизацией понимают лечение статическим электричеством, которое включает в себя комбинированное действие ионизированного воздуха, поля высокого напряжения и небольших разрядов между телом и электродами франклинизатора. Однако широкое применение статического электричества как лечебного средства вызывает скептическое отношение. Это объясняется тем, что еще не выяснено, какие явления - физические или химические приводят к улучшению.
В то же время известно, что ионы не только обусловливают кислородную обеспеченность кожи, но и активизируют обменные процессы в клетке. Поэтому при ношении одежды очень важно, какой полярности на ней будет СЭП. Например, при ношении одежды из лавсановой ткани вокруг тела возникает СЭП отрицательной полярности, которое не пропускает аэроионы с отрицательным зарядом. При ношении одежды из искусственной шерсти вокруг тела образуется электростатическое поле с положительным зарядом, препятствующее проникновению аэроионов кислорода в кожу (Н. Н. Алфимов, В. В. Белоусов, 1973).
Биохимические процессы в организме невозможны без обмена электрических зарядов на молекулах белков, жиров, углеводов и солей.
Нарушение проникновения аэроионов может способствовать развитию трофических изменений в коже и рефлекторным путем к ряду других патологических сдвигов в организме, особенно со стороны сердечно-сосудистой и нервной систем.
Экспериментально установлено, что существует тесная корреляция электрического; сопротивления кожи с такими показателями состояния центральной нервной системы, как скрытое время реакции на свет, звук, тепло, а также связь уровня электрического сопротивлений кожи с порогом ощущений, возникающих при разрядах статического электричества (Н. С. Смирницкий, Г. А. Антропов, 1969). Отмечается также индивидуальная чувствительность кожи у людей к действию статического электричества. Вероятно, это объясняется неодинаковым состоянием кожи у различных людей. Кожа может быть жирной, нормальной и сухой. Чем суше, тем больше удельное электрическое сопротивление ее и, следовательно, больше зарядов в ней сохраняется. С возрастом клетки организма, в том числе и эпидермиса, претерпевают некоторые изменения, кожа становится суше. Люди пожилого возраста чаще жалуются на электрические заряды при прикосновении к незаряженным предметам или другому человеку (С. Ю. Морозов, 1969). Высыхает кожа и при частом мытье горячей водой с мылом.
В остром эксперименте обнаружено (Ф. Г. Портнов, 1968), что в результате кратковременного (15-60 мин) действия СЭП 4000 В/см количество эритроцитов, процентное содержание гемоглобина и вегетативные функции организма (частота сердечных сокращений и дыхания) отклоняются от исходного уровня.
В хроническом эксперименте при действии СЭП напряженностью в 2000 ф/см в течение 1,5 мес по 4 ч в день 6 раз в неделю гематологические показатели и состояние сердечно-сосудистой системы статистически достоверно не изменялись. Хронический эксперимент показал тенденцию к ослаблению реактивности организма животных по отношению к действию СЭП.
В условиях производства, где СЭП достигало 30-40 кВ, чаще отмечались заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, нарушения овариально-менструального цикла, грипп и катар верхних дыхательных путей. Эти данные свидетельствуют о том, что у лиц, подвергшихся длительному воздействию СЭП, резистентность организма к инфекционным заболеваниям понижена.
У лиц, подвергающихся воздействию статического электричества, снижается сопротивление кожи к электрическому току, уменьшается сила и выносливость мышц, костей, замедляются нервные реакции на свет и звук, отмечается более высокое количество дней нетрудоспособности, чем у людей, не подвергшихся действию СЭП (Л. И. Максимова, 1972). Под воздействием СЭП значительно снижается рН желудочного сока и сокращается время свертывания крови.
При воздействии СЭП напряженностью 400-500 В/см у экспериментальных животных отмечаются субстанциальные и конформационные изменения в клетках головного и спинного мозга, надпочечниках, печени, почках, селезенке, скелетных мышцах, уменьшается гематокрит, увеличивается время термического свертывания белков плазмы, эозинофилия (Б. М. Медведев, С. Д. Ковтун, 1969). Электрофизиологические исследования функционального состояния периферических нервов свидетельствуют о том, что СЭП увеличивает время скрытого периода, длительность потенциала действия и абсолютную рефракторную фазу возбуждения. Повышение этих показателей во времени авторы рассматривают как некоторое снижение подвижности процессов-возбуждения в нервных волокнах смешанных периферических нервов. Это происходит за счет нарушения клеточной проницаемости для ионов калия и натрия, которая, как известно, непосредственно связана с изменением электрических реакций в клетках.
Установлено, что СЭП напряженностью 500 В/см снижает тактильную и болевую чувствительность, снижает тонус и реактивность сосудистой системы кожи, кровообращение в коже, увеличивает сопротивление кожи, понижает окислительно-восстановительный потенциал (М. Г. Шандала, В. Я. Акименко, 1973). СЭП напряженностью 1000 В/см кроме указанных изменений снижает уровень функциональной стабильности холодовых рецепторов, бактерицидность кожи и величину кожно-гальванических рефлексов, повышает потенциалы в /активных точках сердца и легких. СЭП 250 В/см не вызывает (каких-либо биологических сдвигов, а поэтому рекомендуется как ДУ накопления на одежде. В качестве ДУ накопления/ СЭП на одежде К. А. Рапопорт и соавторы (1973) на основании опроса испытуемых рекомендуют напряженность 300 В/см.
С целью регламентации СЭП, накапливаемого на полимерных материалах, используемых в строительстве, нами проведены исследования на белых крысах в моделируемых условиях (К. И. Станкевич и соавт., 1972). Созданная нами установка состоит из камеры размером 45 X 30 X 13 см. С помощью кронштейнов электроды могут приближаться и отдаляться от камеры, а также изменять свое положение по отношению к камере (горизонтально или вертикально). Это позволяет исследовать влияние направления силовых линий по отношению к телу экспериментальных животных. В камере можно изучать биологическое действие как СЭП, так и его заряда.
В качестве генератора статического электричества используются аэрофранклинизаторы, подключенные к сети. Для контроля за подаваемым аэрофранклинизаторами напряжением в камере устанавливается киловольтметр. Расчет напряженности СЭП (Е) в камере осуществляется по формуле:
Где G - напряжение, отмечаемое на шкале киловольтметра;
Н - расстояние между электродами.
Исследования в моделируемых условиях мы проводили при напряженности СЭП 1800, 1100, 300, 150 В/см, т. е. при наиболее характерных натурных условиях. По данным этих исследований, наиболее чувствительными показателями при действии на организм животных СЭП являются окислительно-восстановительные ферменты - пероксидаза, каталаза, сукцинатдегидрогеназа. При напряжении поля 300 В/см и выше у подопытных животных статистически достоверно снижались активность пероксидазы, пероксидазный и каталазный индексы, однако эти сдвиги начинались лишь со 2-го месяца опыта.
Спустя 2 нед после начала опыта статистически достоверно увеличивалось содержание адреналина в моче, повышалась свертываемость крови и снижалась осмотическая резистентность эритроцитов.
Стабильный характер имело снижение терморезистентности белков плазмы и лейкоцитов крови, а также увеличение количества ионов натрия в плазме крови. Последнее, вероятно, обусловлено повып1енной проницаемостью клеточных мембран под воздействием СЭП. А, как известно, ионы Na+ влияют на возбудимость нервной системы, водный баланс и формирование адаптационных свойств организма. Показатели крови (количество эритроцитов, эозинофилов, ретикулоцитов, процент гемоглобина, содержание сахара) носили фазовый характер, что, по-видимому, можно объяснить раздражающим действием СЭП на кроветворную функцию костного мозга и первоначальным стрессом в организме с последующей адаптацией.
Наряду с исследованиями на животных клиницистами было проведено комплексное обследование обслуживающего персонала междугородной телефонной станции, где электризуемость покрытий пола на основе ПВХ-линолеума и тела рабочих достигает 10-30 кВ. У 71% служащих наблюдались функциональные нарушения со стороны нервной системы, а у 44% - со стороны сердечно-сосудистой. Служащие жаловались на постоянные головные боли, повышенную раздражительность и утомляемость, боль в области сердца, которые усиливались в течение рабочего дня. При гематологических исследованиях установлена выраженная лейкопения и снижение гематокритного показателя.
Таким образом, исследования показали, что величина СЭП 300 В/см является пороговой, а 150 В/см подпороговой и может быть регламентирована как «недействующая».
Весьма важным теоретическим и практическим вопросом рассматриваемой проблемы является выяснение механизма биологического действия СЭП. Из представленных данных видно, что раскрытие механизмов ответных реакций на СЭП представляет значительные трудности.
Б. М. Медведев и С. Д. Ковтун (1969) считают, что в основе механизма биологического действия СЭП лежат нарушения конформационных процессов в. белковых клеточных компонентах как следствие сдвигов электростатических внутриклеточных сил и нарушения клеточного метаболизма. В качестве одного из звеньев механизма биологического действия СЭП Ф. Г. Портнов и соавторы (1973) рассматривают участие адренорецепторов.
Наши исследования свидетельствуют, что в механизме биологического действия СЭП важную роль играет проницаемость клеточных мембран и нарушение активности оксидоредуктаз.
Ю. Л. Холодов (1966) считает, что физиологическое влияние СЭП на организм осуществляется рефлекторным способом. Раздражая окончания тройничного и других нервов, СЭП может вызвать изменение функционального состояния центральной нервной системы. Кроме того, при этом наблюдаются изменение кожной чувствительности, стимуляция капиллярного кровообращения, нормализация сосудистого/тонуса, сдвиг морфологического состава крови, улучшение газообмена и деятельности желудочно-кишечного тракта.
