Statiese elektrisiteit

Statiese elektrisiteit is 'n wanbalans in die elektriese lading van 'n oppervlakte of materiaal. Die lading bly daar totdat dit in staat is om weg te beweeg deur 'n elektriese stroom of elektriese ontlading. Statiese elektrisiteit verskil van 'n elektriese stroom wat deur drade of ander geleiers beweeg en energie vrystel.^[1]

'n Statiese elektriese lading word gevorm wanneer twee oppervlaktes aan mekaar raak en wegbeweeg van mekaar en die een oppervlak het 'n hoë weerstand teen die elektriese stroom ( vandaar die term elektriese insulator). Die meeste mense is bewus van die effek van statiese elektrisiteit want hulle kan dit hoor en voel en soms selfs die vonk in die donker sien wanneer 'n oormatige lading geneutraliseer word deur 'n groot elektriese geleier of 'n area wat gelaai is met 'n oormaat van die teenoorgestelde polariteit (positief of negatief). Die algemene verskynsel genaamd statiese skok, meer spesifiek 'n elektrostatiese ontlading, word veroorsaak wanneer die lading geneutraliseer word.

Wat veroorsaak statiese elektrisiteit?

Materiale bestaan uit atome wat gewoonlik 'n neutrale elektriese lading het want hulle het dieselfde hoeveelheid positiewe ladings (protons in hulle selkern) en negatiewe ladings (elektrons in die elektronskil). Voordat statiese elektrisiteit kan voorkom moet daar 'n skeiding van die positiewe en negatiewe ladings wees. Wanneer twee materiale in aanraking met mekaar kom, kan die elektron van die een materiaal na die ander beweeg, wat dan 'n oormatige positiewe lading op die een materiaal agterlaat, en 'n negatiewe lading van dieselfde hoeveelheid op die ander. Wanneer die materiale dan van mekaar geskei word, behou dit die wanbalans in die lading.

Kontak-geïnduseerde ladingskeiding

Elektrone kan uitgeruil word wanneer materiale in kontak met mekaar kom; materiale waarvan die elektrone swak gebind is kan die lading verloor terwyl materiale waarvan die elektronskil yl gevul is, weer hierdie lading van die ander materiaal kan opneem. Dit staan bekend as die wrywingselektrisiteitseffek en dit veroorsaak dat die een materiaal positief gelaai word en die ander een negatief. John Carl Wilcke het in 1757 'n verslag vrygestel oor wrywingselektrisiteit en statiese ladings. Materiale word dikwels geklassifiseer volgens die polariteit van die skeidingsladings wanneer dit in aanraking met 'n ander materiaal kom. 'n Materiaal onder op die lys wat 'n materiaal bo aan die lys raak, se negatiewe lading sal groter wees. Hoe verder weg hierdie twee materiale van mekaar is in hierdie reeks, hoe groter sal die ladingsoordrag wees. Die wrywingselektrisiteitseffek is die belangrikste oorsaak van statiese elektrisiteit in ons allesdaagse lewe. Eksperimente in wetenskaplaboratoriums bewys gewoonlik die reaksie wanneer verskillende materiale soos pels en 'n akrielstaaf teen mekaar gevryf word. Kontak-geïnduseerde ladingskeiding sorg dat 'n mens se hare regop staan en statiese aanklewing veroorsaak. ('n Ballon wat teen die hare gevryf word, word negatief gelaai en wanneer dit naby 'n muur kom, word die gelaaide ballon aangetrek deur die positiefgelaaide deeltjies teen die muur en kan dit daarom aan die muur vasklou. Dan lyk dit asof dit teen swaartekrag inwerk.)

Druk-geïnduseerde ladingskeiding

Wanneer meganiese druk toegepas word op die molekules van sekere kristalle en keramiek, kan dit 'n skeiding in die lading veroorsaak.

Hitte-geïnduseerde ladingskeiding

Wanneer sekere materiale verhit word, vind daar 'n skeiding in die lading van die atome of molekules daarvan plaas. Alle piro-elektriese materiale is ook piëso-elektries. Die reaksie op die atomiese of molukulêre eienskappe van hitte en druk is naverwant aan mekaar.

Lading-geïnduseerde ladingskeiding

'n Voorwerp met 'n positiewe lading wat naby aan 'n voorwerp met 'n neutrale lading geplaas word, kan 'n ladingskeiding by die neutrale voorwerp veroorsaak. Ladings van dieselfde polariteit word weggestoot en ladings van die teenoorgestelde polariteit word na mekaar aangetrek. Wanneer die krag wat die interaksie van elektriese ladings tot gevolg het vinnig verminder weens die groter wordende afstand, sal die effek van die naaste lading (teenoorgestelde polariteit) groter wees en dan sal die twee voorwerpe 'n aantrekkingskrag voel. Die effek is die duidelikste wanneer die neutrale voorwerp 'n elektriese geleier is want dan kan die lading vrylik rondbeweeg. Wanneer voorwerpe met 'n lading-geïnduseerde ladingskeiding deeglik geaard is, kan elektrone op 'n permanente basis bygevoeg of weggeneem word. Hierdie proses vorm die kern van die werking van die Van de Graaff generator, 'n toestel wat algemeen gebruik word om die effek van statiese elektrisiteit te demonstreer.

Verwydering en voorkoming van statiese elektrisiteit

Om statiese elektrisiteit te voorkom of om die bestaande statiese elektrisiteit te verwyder, kan maklik wees – maak 'n venster oop of gebruik 'n vogsproeier. Dit sal die vogtigheid in die lug verhoog en die atmosfeer se geleidingsvermoë verbeter. 'n Lugïoniseerder kan dieselfde doen.^[2]

Om statiese elektrisiteit te voorkom op voorwerpe wat maklik daarop reageer, kan dit met 'n antistatiese middel behandel word. Dit vorm 'n geleidende laag en sorg dat die ekstra lading eweredig versprei word. Versagmiddels en die velle wat in tuimeldroërs gebruik word, is voorbeelde van antistatiese middels wat help om statiese aanklewing te voorkom.^[3]

Baie halfgeleiertoestelle wat in elektronika gebruik word is veral sensitief vir statiese vrystellings. Geleidende antistatiese sakke word gewoonlik gebruik om hierdie komponente te beskerm. Mense wat op stroombane werk waarop hierdie toestelle voorkom, beskerm hulself gewoonlik met 'n geleidende antistatiese band.^[4]^[5]

By nywerhede soos verffabrieke of meulens en in hospitale dra die werkers dikwels antistatiese veiligheidstewels om die opbou van statiese elektrisiteit, wat veroorsaak word deur kontak met die vloer, te voorkom. Die sole van hierdie skoene verskaf goeie geleiding. Antistatiese skoene moet nie verwar word met isolerende skoene nie. Laasgenoemde is skoene wat beskerming bied teen moontlike elektriese skokke deur die hoof elektrisiteitstroom.^[6]

'n Netwerkkaart van 'n rekenaar in 'n antistatiese sakkie.

'n Antistatiese armband met 'n krokodilklem.

Statiese ontlading

Die vonk wat deur statiese elektrisiteit veroorsaak word, is die gevolg van die elektrostatiese ontlading of kortweg statiese ontlading. Die oormatige lading word geneutraliseer deur die vloei van ladings weg van, of ná die omgewing.

Die gevoel soos die van 'n elektriese skok wat met statiese elektrisiteit gepaard gaan, word veroorsaak deur die stimulering van die senuwees aangesien die neutraliserende stroom deur die menslike liggaam vloei. Die energie wat as statiese elektrisiteit op 'n voorwerp gestoor word, hang af van:

die grootte van die voorwerp en sy kapasitansie;
die stroomspanning waarmee dit gelaai is; en
die diëlektriese konstante van die omringende medium.Om die effek van statiese vrystelling op 'n sensitiewe elektroniese toestel uit te beeld, word 'n mens vergelyk met 'n kondensator van 100 picofarads wat gelaai is met 'n stroomspanning van tussen 4000 en 35000 volt. Wanneer 'n voorwerp aangeraak word, word die energie in minder as 'n mikrosekonde vrygestel. Alhoewel die totale energie klein is, niks meer as millijoules nie, kan dit steeds sensitiewe elektroniese toestelle beskadig. Groter voorwerpe sal meer van die energie stoor, en dan kan dit weer gevaarlik wees wanneer iemand daaraan raak, of dit kan 'n vonk veroorsaak wat 'n vloeibare gas of wolkdamp aan die brand kan steek.

Weerlig

Die natuurlike vrystelling van statiese elektrisiteit

Weerlig is 'n dramatiese voorbeeld van statiese ontlading in die natuur. Alhoewel daar baie daaroor gedebatteer word, word daar algemeen geglo dat die ladingskeiding gebeur wanneer ysdeeltjies donderwolke aanraak. Gewoonlik kan die opeenhoping van ladings net gebeur in areas met 'n lae elektriese geleidingsvermoë. Die vloei van neutraliserende ladings vind dikwels plaas wanneer neutrale atome en molekules uitmekaar geruk word in die lug om dan so aparte positiewe en negatiewe ladings te vorm wat in die teenoorgestelde rigting as 'n elektriese stroom vloei en dit neutraliseer dan die oorspronklike opheenhoping van die lading. Die statiese lading in die lug breek op hierdie manier af teen ongeveer 10,000 volt per sentimeter (10 kV/cm) afhangend van die vogtigheid.^[7] Hierdie geleiding maak die omringende lug super warm en dit veroorsaak die helder flits of weerligstraal en dit veroorsaak ook 'n skokgolf wat die klikgeluid maak. Die weerligstraal is bloot 'n veel groter weergawe van die vonk wat waargeneem word wanneer statiese elektrisiteit onder normale omstandighede vrygestel word. Die blits vind plaas omdat die lug in die vrystellingskanaal so 'n hoë temperatuur bereik dat dit 'n helder lig vrystel. Die dreuning van die donderweer is die gevolg van die skokgolf wat gevorm is deur die superwarm lig wat in 'n ontploffing uitsit.

Elektroniese komponente

Baie semigeleiertoestelle wat in elektronika gebruik word is baie sensitief vir die teenwoordigheid van statiese elektrisiteit en kan beskadig word deur 'n statiese vrystelling. Die gebruik van 'n antistatiese armband is verpligtend vir alle navorsers wat met nanotoestelle werk. Verdere voorkomende maatreëls is om skoene met dik rubber sole uit te trek en altyd op 'n metaalvloer te bly.

Statiese opbou in vlambare vloeistowwe en brandbare materiale

Die vrystelling van statiese elektrisiteit kan verskeie gevaarlike situasies skep in bedrywe waar daar met vlambare materiale gewerk word. Dis gevaarlik wanneer 'n klein elektriese vonkie 'n plofbare mengsel aan die brand steek.^[8]

Dinge soos die vloeibeweging van stowwe wat verpoeier is, die lae geleidingsvermoë van pype of meganiese beweging kan statiese elektrisiteit laat ophoop.^[9] Wanneer sand afloop in 'n plastiese glygeut kan dit ook 'n lading oordra wat statiese elektrisiteit veroorsaak.^[10] D Fyn stofwolke van verpoeierde stowwe is ontvlambaar en kan maklik ontplof. Wanneer daar 'n statiese vrystelling in 'n stofwolk of dampwolk is, kan ontploffings voorkom. Van die grootste industriële ongelukke as gevolg van statiese elektrisiteit wat ooit plaasgevind het, is:

'n graansilo in die suidweste van Frankryk,
'n verffabriek in Thailand;
'n fabriek in Kanada wat veselglasvorms vervaardig;
'n opgaartenk-ontploffing in Glenpool, Oklahoma in 2003;
'n chemiese aanleg in Valley Center, Kansas in Julie 2007 en
'n chemiese vulstasie vir draagbare tenks in Des Moines, Iowa November 2007.
^[11]^[12]^[13]

Die vermoë van 'n vloeistof om 'n elektrostatiese lading te behou, hang af van die elektriese geleidingsvermoë van die vloeistof. Wanneer vloeistowwe met 'n lae geleidingsvermoë deur pyplyne vloei, of wanneer dit meganies geskud of vinnig beweeg word, vind daar kontak-geïnduseerde ladingskeiding plaas.^[14] Vloeistowwe met 'n lae elektriese geleidingsvermoë (laer as 50 picosiemens per meter) word akkumulators genoem en vloeistowwe met 'n geleidingsvermoë van bo 50 pS/m is weer nie-akkumulators. In die geval van nie-akkumulators herverbind die ladings so vinnig soos wat dit geskei word en daarom het die opbou van 'n elektrostatiese lading geen effek nie. In die petrochemiese bedryf is 50 pS/m die aanbevole minimum krag van elektriese geleidingsvermoë om die lading van 'n vloeistof te verwyder.

Keroseen kan 'n geleidingsvermoë van minder as 1 picosiemens per meter tot 20 pS/m hê. In vergelyking hiermee het water waarvan die ione verwyder is 'n geleidingsvermoë van ongeveer 10,000,000 pS/m of 10 µS/m.^[15]

Transformator-olie is deel van die elektriese insulasiestelsel van groot kragtransformators en ander elektriese apparate. Wanneer die transformator-olie van hierdie groot apparate hervul moet word, moet dit met groot versigtigheid gedoen word aangesien die elektrostatiese lading van die vloeistof sekere sensitiewe isolasiemateriaal van die transformators kan beskadig.

Gevare in die brandstofbedryf

Die vloeiende beweging van vlambare vloeistowwe soos petrol in 'n pypleiding kan statiese elektrisiteit opbou. Nie-polêre vloeistowwe soos petrol, tolueen, xileen, diesel, keroseen en vloeibare petroleum is in staat om 'n lading op te bou en daardie lading te behou indien dit teen 'n hoë tempo vloei. Elektrostatiese vrystellings kan hierdie brandstofdampe ontsteek.^[16] Indien die energie van die elektrostatiese vrystelling hoog genoeg is, kan dit die brandstofdampe en 'n mengsel van lug ontsteek. Verskillende soorte brandstowwe benodig verskillende vlakke van energie wat deur elektrostatiese ladings vrygestel word om aan die brand te slaan.

Terwyl iemand petrol ingooi by 'n vulstasie, kan die elektrostatiese vrystelling probleme veroorsaak.^[17] Daar het ook al brande by lughawens ontstaan terwyl 'n vliegtuig se tenk met keroseen gevul word. Daar is egter nuwe tegnologie wat toenemend gebruik word wanneer daar met vlambare vloeistowwe gewerk word om die opbou van statiese elektrisiteit te voorkom, of om op 'n veilige manier daarvan ontslae te raak.

Wanneer gas deur pype vloei, is daar min, indien enige, statiese elektrisiteit.^[18] Bloot wanneer daar sekere soliede partikels of vloeistofdruppels in die gasstroom beland, kan daar 'n lading van statiese elektrisiteit teenwoordig wees.

Statiese vrystelling in die verkenning van die ruimte

Weens die geweldige hoë humiditeit in die ruimte kan besondere hoë ladings van statiese elektrisiteit opbou. Dit kan groot probleme veroorsaak vir die komplekse elektronika van ruimteskepe wat vir verkenning gebruik word. Statiese elektrisiteit is veral 'n probleem vir ruimtemanne wat na die maan of Mars reis. Terwyl hulle oor die besondere droë terrein loop, kan daar 'n beduidende hoeveelheid statiese elektrisiteit opbou. Wanneer die ruimtemanne dan die lugprop wil oopmaak om na die tuig terug te keer, kan hierdie statiese elektrisiteit wat vrygestel word sekere sensitiewe elektronika beskadig.^[19]

Gebruike van statiese elektrisiteit

Statiese elektrisiteit word gewoonlik gebruik vir xerografie, lugfilters (veral elektrostatiese presipiteerders), voertuigverf, fotokopieerders, verfspuite, teaters en veral die vloere van operasieteaters, drukkers, en by vliegtuigbrandstofhervulling.

Sien ook

Bronne

↑ Dhogal (1986).
↑ "Ionizers and Static Eliminators" Geargiveer 10 Februarie 2009 op Wayback Machine.
↑ "Fabric Softener and Static" Geargiveer 26 Februarie 2015 op Wayback Machine.
↑ Antistatic Bags for Parts.
↑ Antistatic Wrist Strap.
↑ "Safetoes: Safety Footwear".
↑ J. J. Lowke (1992).
↑ Kassebaum, J. H. and Kocken, R. A. (1995).
↑ Wagner, John P.; Clavijo, Fernando Rangel Electrostatic charge generation during impeller mixing of used transformer oil Department of Nuclear Engineering, Safety Engineering and Industrial Hygiene Program, Texas A&M University, College Station, online 21 Augustus 2000; accessed Jan 2009 doi: 10.1016/S0304-3886(00)00019-X
↑ Downie, Neil A., Exploding Disk Cannons, Slimemobiles and 32 Other Projects for Saturday Science (Johns Hopkins University Press (2006), ISBN 978-0-8018-8506-8, chapter 33, pages 259-266 "Electric Sand"
↑ Hearn, Graham (1998).
↑ Storage Tank Explosion and Fire in Glenpool, Oklahoma April 7, 2003 National Transportation Safety Board
↑ Static Spark Ignites Flammable Liquid during Portable Tank Filling Operation Geargiveer 17 Januarie 2009 op Wayback Machine Chemical Safety Board October 29, 2007
↑ Egorov, V.N. (1970).
↑ Chevron Corporation Aviation Fuels Technical Review Geargiveer 19 Maart 2009 op Wayback Machine 2006, accessed Dec 2008
↑ Hearn, Graham Static electricity – guidance for Plant Engineers Geargiveer 4 Maart 2016 op Wayback Machine – Wolfson Electrostatics University of Southampton 2002; accessed Dec 2008
↑ "CarCare – Auto Clinic" Popular Mechanics, April 2003, p. 163.
↑ Kinzing, G.E., 'Electrostatic Effects in Pneumatic Transport: Assessment, Magnitudes and Future Direction', Journal Pipelines, 4, 95–102, 1984
↑ "NASA – Crackling Planets" Geargiveer 12 Augustus 2005 op Wayback Machine.

[1] Dhogal (1986).

[2] "Ionizers and Static Eliminators" Geargiveer 10 Februarie 2009 op Wayback Machine.

[3] "Fabric Softener and Static" Geargiveer 26 Februarie 2015 op Wayback Machine.

[4] Antistatic Bags for Parts.

[5] Antistatic Wrist Strap.

[6] "Safetoes: Safety Footwear".

[air_breakdown-7] J. J. Lowke (1992).

[chem_industry1-8] Kassebaum, J. H. and Kocken, R. A. (1995).

[9] Wagner, John P.; Clavijo, Fernando Rangel Electrostatic charge generation during impeller mixing of used transformer oil Department of Nuclear Engineering, Safety Engineering and Industrial Hygiene Program, Texas A&M University, College Station, online 21 Augustus 2000; accessed Jan 2009 doi: 10.1016/S0304-3886(00)00019-X

[10] Downie, Neil A., Exploding Disk Cannons, Slimemobiles and 32 Other Projects for Saturday Science (Johns Hopkins University Press (2006), ISBN 978-0-8018-8506-8, chapter 33, pages 259-266 "Electric Sand"

[chem_industry2-11] Hearn, Graham (1998).

[12] Storage Tank Explosion and Fire in Glenpool, Oklahoma April 7, 2003 National Transportation Safety Board

[13] Static Spark Ignites Flammable Liquid during Portable Tank Filling Operation Geargiveer 17 Januarie 2009 op Wayback Machine Chemical Safety Board October 29, 2007

[14] Egorov, V.N. (1970).

[15] Chevron Corporation Aviation Fuels Technical Review Geargiveer 19 Maart 2009 op Wayback Machine 2006, accessed Dec 2008

[16] Hearn, Graham Static electricity – guidance for Plant Engineers Geargiveer 4 Maart 2016 op Wayback Machine – Wolfson Electrostatics University of Southampton 2002; accessed Dec 2008

[17] "CarCare – Auto Clinic" Popular Mechanics, April 2003, p. 163.

[18] Kinzing, G.E., 'Electrostatic Effects in Pneumatic Transport: Assessment, Magnitudes and Future Direction', Journal Pipelines, 4, 95–102, 1984

[space-19] "NASA – Crackling Planets" Geargiveer 12 Augustus 2005 op Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]