ГОСТ Р 53734.1-2014 (МЭК 61340-1:2012). Национальный стандарт Российской Федерации. Электростатика. Часть 1. Электростатические явления. Физические основы, прикладные задачи и методы измерения

4. Основы статического электричества

 

4.1 Общие положения

В основном электростатические заряды на материале, изделии или объекте - это результат:

- прикосновения и трения;

- переноса заряда;

- электростатической индукции;

- поляризации;

- проявления фотоэффекта;

- проявления пироэлектрического эффекта;

- проявления пьезоэлектрического эффекта;

- ионизации и адсорбции ионов;

- электрохимических процессов.

Однако, первичным источником электростатического заряда является трибоэлектрическая заряжение. Если две первоначально незаряженных поверхности привести в соприкосновение, произойдет перенос заряда, обычно, это происходит на общей разделяющей их границе. Если газ содержит взвешенные твердые или жидкие частицы, которые становятся заряженными при соприкосновении и последующем отделении, то может показаться, что электростатически газ заряжен. При разделении каждая поверхность уносит заряды одинаковые по величине и противоположные по знаку. Проводящие или рассеивающие объекты могут стать заряженными посредством индукции под воздействием электрического поля других заряженных объектов или проводников с высоким потенциалом. Любой объект может стать заряженным, если на нем аккумулируются заряженные частицы или молекулы.

Очень важно иметь представление об этих явлениях, чтобы обеспечивать надлежащее выполнение процедур проверки и однозначную интерпретацию получаемых данных. Это также важно для выбора электродов, защиты приборов для измерения тока от начального емкостного скачка и влияния времени их инерции на результаты измерения. Инерционность измерений должна соответствовать требованиям к получаемым данным. Детальные комментарии включены в описания отдельных методов испытаний.

4.2 Контактная электризация

Контактная электризация может происходить при взаимодействии двух твердых материалов, двух жидкостей или твердого материала и жидкости. Чистые газы не могут заряжать материалы таким путем. Если газ содержит твердые частицы или капли жидкости во взвешенном состоянии, то они могут заряжаться и такой газ может нести эти заряженные частицы.

Если различающиеся между собой твердые материалы первоначально не заряжены и находятся под потенциалом земли, то при соприкосновении между ними происходит передача заряда от одного материала к другому. Когда они разделяются, свободный положительный заряд - остается на одной поверхности, а свободный отрицательный заряд на другой поверхности. Количественно заряд возрастает с размером площади соприкосновения и воздействующего давления. Дополнительное трение также увеличивает площадь контактного взаимодействия.

Сравнительное количество и полярность зарядов, получаемых материалами, можно представлять списками, выражающими трибоэлектрические ряды. Ожидается, что материал зарядится положительно при взаимодействии с материалом, расположенным в таком ряду ниже его, и отрицательно при взаимодействии с материалом, расположенным выше его. Нужно отметить, что положение материала в трибоэлектрическом ряду не достаточно определенное, зависящее от условий испытания. К тому же, два образца из одного и того же материала при трении друг с другом могут довольно сильно заряжаться.

Примеры трибоэлектрических рядов представлены в таблице 1.

 

Таблица 1

 

Пример трибоэлектрических рядов

 

Объект	Заряд
Мех кролика Стекло Человеческие волосы Полиамид (нейлон) Шерсть Мех Шелк Алюминий Бумага Хлопок Сталь Дерево	Положительный
Резина Ацетатный искусственный шелк Полиэтилен (PE) и полипропилен (PP) Политетраэтилен (PET) Винипласт (PVC) Полиуретан Политетрафторэтилен (PTFE)	Отрицательный

 

Два соприкасающихся предмета взаимно заряжаются зарядами противоположных знаков, и между ними образуется электрическое поле. При последующем их разделении преодолевается сила их взаимного притяжения и линейно с увеличением расстояния между ними возрастает разность потенциалов. При этом происходит утечка зарядов через любые остающиеся участки соприкосновения разделяемых материалов. У проводников рекомбинация зарядов фактически полная ни на одном материале после разделения зарядов не остается. Если один или оба материала являются непроводящими, полная рекомбинация зарядов не может иметь места, и отделяющиеся материалы сохраняют часть своего заряда. При этом, несмотря на то, что сохраняется только небольшая часть первоначального количества разделяемых зарядов, т.к. расстояние между ними при соприкосновении поверхностей, было чрезвычайно мало, потенциал после их разделения может достичь многих киловольт. Реальные поверхности обычно грубы и их заряд увеличивается, если площадь контакта возрастает под воздействием давления или трения. Следует заметить, что реальная площадь соприкосновения материалов существенно отличается от площади их номинального контакта. Они могут отличаться на порядок или более.

Контактная электризация жидкостей - такой же сложный процесс, но зависящий еще от присутствия ионов и (в меньшей степени) заряженных микроскопических частиц.

Если ионы (или частицы) одной полярности абсорбированы поверхностью, то к ним притянутся ионы противоположной полярности, которые образуют диффузионный заряженный слой в жидкости, примыкающий к поверхности. Если жидкость затем переместится относительно поверхности, то она унесет часть этого диффузионного слоя, тем самым обеспечивая разделение положительных и отрицательных зарядов. Как и в случае твердых частиц, высокое напряжение образуется в результате работы, затраченной на разделение зарядов, если жидкость недостаточно электропроводна, чтобы предотвратить их взаимную нейтрализацию. Такие процессы могут протекать на границах твердая фаза/жидкость и жидкость/жидкость.

4.3 Заряжение индукцией

Электрическое поле существует вокруг любого заряженного объекта. Проводник или рассеивающий материал (незаряженный объект 2), введенный в поле заряженного объекта 1, изменяет начальную конфигурацию его электростатического поля, и в то же самое время под влиянием его воздействия в нем происходит перераспределение зарядов (рисунок 1а). Если незаряженный объект изолирован от земли, то он приобретет электростатический потенциал, зависящий от его положения в поле заряженного тела и обеспечивающий возможность возникновения разряда на землю.

При последующем кратковременном соединении с землей потенциал объекта 2 снижается до нуля и на нем остается неуравновешенный заряд (рисунок 1б). Когда воздействующее электростатическое поле устраняется, свободный заряд остается (рисунок 1в). Если объект 2 изолирован, а воздействующее поле устранено, то с него может произойти разряд. Считают, что проводящий объект зарядился по индукции. Разряд с такого объекта может представлять опасность, например, при движениях человека в поле заряженных материалов.

 

 

1а) - Сближение заряженного объекта (1)

с незаряженным объектом (2)

 

 

1б) - Кратковременное соединение незаряженного объекта (2)

с землей. Незаряженный объект заряжается,

но приобретает потенциал земли.

 

 

1в) - Удаление соединения с землей, и затем первого объекта;

проводник остается заряженным (в этом примере отрицательно)

 

Рисунок 1 - Заряжение по индукции

 

4.4 Передача заряда проводимостью

Всякий раз, когда заряженный объект вступает в контакт с другим объектом (рисунок 2), их заряды перераспределяются в такой степени, в которой позволяет их проводимость и емкость. Это потенциальный источник электростатического заряжения. Так, например, заряжаются твердые объекты, на которых осаждаются заряженные брызги, туман или пыль. Подобная передача зарядов может также происходить, когда объект находится в ионизированном потоке газа.

 

 

2а) Заряженный объект соприкасается с незаряженным объектом

(положительный заряд передается на незаряженный объект).

 

 

2б) Разделение заряженных объектов

 

Рисунок 2 - Передача заряда проводимостью, когда

объекты 1 и 2 являются проводниками

 

4.5 Сохранение заряда

После разделения и заряжения материалов электростатические заряды быстро взаимно нейтрализуются или непосредственно, или через землю, если для этого не возникнет препятствий. Если заряд находится на непроводящем объекте, то он сохраняется из-за электрического сопротивления материала. Чтобы заряд сохранялся на проводнике, проводник должен быть изолирован от других проводников и земли.

Чистые газы, подобные воздуху, в естественных условиях являются непроводящими, и взвешенные частицы или капли в облаках пыли, в тумане или в распыленных системах могут сохранять свои заряды очень долго, независимо от электропроводности самих частиц.

Скорость утечек заряда зависит от электрического сопротивления объектов в системе и емкостей проводников. Этот процесс известен как релаксация. Сопротивление, удельное объемное сопротивление, удельная объемная электропроводность или значения скорости утечки заряда, которая требуется для решения электростатической проблемы, зависят в основном от рассматриваемой системы.

Во многих производственных процессах часто происходит непрерывное генерирование электростатического заряда, который накапливается на изоляторе или изолированном проводнике, например когда поток заряженной жидкости или порошка поступает в изолированную металлическую емкость, или когда человек идет по изолирующему напольному покрытию. В этом случае потенциал на изолированном проводнике - результат баланса между поступающим зарядом и скоростью его утечки. Эквивалентный электрический контур показан на рисунке 3. Потенциал проводника вычисляют по формуле:

 

, (1)

 

где V₀ - начальный потенциал;

R - сопротивление заземления, Ом;

t - время от начала заряжения, с;

C - емкость проводника, Ф.

Максимальный потенциал достигается, когда t >> RC, и выражается как:

 

V_max = I·R, (2)

 

 

Рисунок 3 - Эквивалентная электрическая цепь

заряжения проводника

 

Чтобы установить значение заряда, который может накопиться, можно измерить емкость изолированного объекта и сопротивление заземления или темп утечки заряда. Это невозможно сделать для взвешенной в воздухе пыли или тумана.

В настоящем стандарте принято допущение, что сопротивление или скорость релаксации заряда изоляционного материала величина постоянная. Это не всегда так. Значение сопротивления для определенной разности потенциалов может меняться в зависимости от времени и, точно так же скорость утечки зарядов, может быть функцией электрического напряжения (или заряда). Эти эффекты могут также зависеть от температуры и окружающей влажности.

4.6 Влияние влажности воздуха

4.6.1 Общие положения

Материалы в той или иной степени абсорбируют из воздуха воду, и в случае изоляторов это может значительно увеличивать скорость утечки зарядов. Вода, абсорбированная поверхностью материалов, является основной составляющей поверхностной проводимости, которая отличается от их объемной проводимости. Данный эффект, хорошо наблюдаемый, но все еще плохо понятый, состоит в том, что проводимость увеличивается с количеством абсорбированной воды, то есть практически проводимость возрастает с увеличением относительной влажности. Эффект наблюдается даже при относительно низкой влажности (RH < 20%), когда вода может только присутствовать в молекулярной форме, и никакой свободной воды в виде слоя жидкости не существует.

4.6.2 Регистрация влажности

При проведении измерений в реальных условиях часто невозможно влиять на влажность. Поскольку результаты измерений зависят от влажности, то важно сделать запись условий окружающей среды во время измерения.

4.7 Электростатические разряды

4.7.1 Общие положения

Разряды статического электричества возникают, когда в газовой среде, например, в воздухе, образуются перенапряжения или когда напряженность поля превышает его электрическую прочность. В условиях нормальной атмосферы электрическая прочность для плоских поверхностей или поверхностей с радиусом 10 мм или более составляет приблизительно 3 МВ/м (30 кВ/см).

Электростатические разряды чрезвычайно разнообразны и зависят от системы, в которой они возникают. Некоторые типы разрядов могут быть классифицированы в соответствии с 4.7.2 - 4.7.6, хотя данные описания не являются исчерпывающими и абсолютно определенными.

4.7.2 Искровые разряды

Искровой разряд - электрический разряд между двумя проводниками с определенной разностью потенциалов. Для него характерен четкий ярко светящийся канал с высокой плотностью тока. Газ полностью ионизирован по всей длине канала. Разряд резкий и может сопровождаться четко слышимым щелчком (одиночным резким звуковым импульсом). Типичный пример - разряд между пальцем человека и большим металлическим объектом.

Разность потенциалов между проводниками, при которой происходит разряд, зависит от их формы и расстояния между ними.

Ток, протекающий в искровом канале, ограничен только импедансом внешней цепи, и в разряде протекает почти весь заряд, имеющийся на электродах перед разрядом. Поэтому в большинстве случаев при искровом разряде расходуется практически вся энергия, имеющаяся перед разрядом. Затраченную энергию вычисляют по формуле:

 

, (3)

 

где Q - заряд конденсатора, Кл;

V - разность потенциалов, В;

C - емкость относительно земли, Ф.

Это максимальное значение затраченной энергии. Любое сопротивление в разрядной цепи снижает энергию искры и увеличивает ее продолжительность. Типичные значения электрической емкости ряда объектов представлены в таблице 2.

 

Таблица 2

 

Типичные значения электрической емкости

 

Объект	Емкость·10-12 Ф
Очень малые металлические объекты (винт, гвоздь)	1 - 10
Малые металлические объекты (совок, наконечник шланга)	10 - 20
Малые емкости (ведро, 50-литровый бочонок)	10 - 100
Среднеразмерные емкости (от 250 до 500 л)	50 - 300
Тело человека	100 - 300
Основное производственное оборудование (реакторы), примыкающее к заземленным конструкциям	100 - 1000
Автомобили	800 - 1200

 

4.7.3 Коронные разряды

Этот тип разрядов связан с проводниками, с остриями или острыми краями. Коронные разряды могут возникать, когда такой проводник заземлен и приближается к наэлектризованному объекту или, альтернативно, если проводник находится под высоким напряжением. Разряды возникают вследствие того, что локальное электрическое поле у острой поверхности очень велико и обеспечивает возникновение перенапряжения (превышает 3 МВ/м). Так как перенапряжение быстро уменьшается по мере удаления от поверхности проводника, область ионизации не распространяется дальше границы перенапряжения. Коронный разряд может быть направлен к заряженному объекту или, в случае высокого потенциального проводника, в окружающее пространство.

Коронные разряды трудно увидеть, но при приглушенном освещении свечение можно заметить с некоторого расстояния. Вне этой ионизированной области ионы могут перемещаться на большие расстояния и их движение зависит от направления поля.

Поле заряженной поверхности, вызывающее коронные разряды на смежных заземленных остриях притягивает ионы противоположной полярности из чехла короны и, следовательно, заряд поверхности может снижаться. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряженность поля у острия не снизится ниже порога коронирования. При этом полная нейтрализация не происходит.

В коронном разряде поверхность или объект также может заряжаться. Этот эффект может использоваться преднамеренно или случайно стать причиной опасности, например, когда изолированная металлическая деталь зарядится до высокого потенциала.

4.7.4 Кистевые разряды

Эти разряды могут возникать, когда заземленные проводники приближаются к заряженному изоляционному материалу (например, между пальцем человека и пластмассовой поверхностью или между металлической загрузочной трубой и поверхностью жидкости в резервуаре).

Это быстро протекающие кратковременные разряды, которые при подходящих условиях можно увидеть и услышать. В отличие от искровых разрядов в них расходуется только незначительная часть заряда, связанного с системой, и разряд не приводит оба объекта к одному и тому же значению потенциала (не приводит к выравниванию потенциалов двух объектов).

4.7.5 Поверхностные кистевые разряды

Различие между кистевым разрядом и поверхностным кистевым разрядом состоит в том, что первый происходит, главным образом, в воздушном разрядном промежутке, а второй - на границе раздела фаз, например на поверхности материала. Причина второго разряда, являющегося поверхностным, состоит в том, что энергетическим источником служит поле, заключенное, главным образом, в тонком слое диэлектрического материала, а не внешнее поле, как в первом случае. Для его возникновения требуется напряжение пробоя тонкого слоя, которое значительно превышает напряжение пробоя соответствующего воздушного промежутка. Возникновения поверхностных кистевых разрядов можно избежать, если гарантировать, что напряжение пробоя диэлектрического слоя меньше, чем 4 кВ. Максимальное допустимое значение напряжения пробоя увеличивается с увеличением толщины диэлектрика и в определенных практических случаях допустимое напряжение пробоя может быть больше, чем 4 кВ. Разряд можно инициировать или проводящим объектом, приближающимся к поверхности, или пробоем диэлектрика. Если поле в диэлектрике, обусловленное зарядом на его поверхности, достигает пробивного значения для материала диэлектрика, возникает спонтанный разряд и сопутствующий пробой (прокол) листа/покрытия. Начиная с этого пробоя (или с разряда на приближающийся объект), высокая параллельная поверхность диэлектрика составляющая электрического поля приводит к возникновению ряда сильных поверхностных разрядов, в которых стекает большая часть поверхностного заряда.

Диэлектрический лист, поверхности которого заряжены зарядами противоположных знаков, подобен конденсатору с плоскопараллельными пластинами и с диэлектрической прослойкой между ними. Следовательно, энергию, реализованную в поверхностных кистевых разрядах, можно легко оценить по запасенной энергии. Эквивалентная емкость C_e диэлектрического листа с площадью A, толщиной d, абсолютной постоянной и относительной диэлектрической проницаемостью , удерживающая поверхностную плотность , составляет

 

(4)

 

для заряда q и плотности заряда .

Пример - d = 75 мкм, A = 0,5 м², и плотность электрического заряда , запасенная энергия:

 

 

 

 

4.7.6 Конические разряды

Этот тип разряда возможен, когда, например, гранулы с высоким удельным сопротивлением загружаются в бункер. Загружаемые заряженные частицы, такие как пластмассовые гранулы, накапливаются и заполняют объем бункера. Поле этого заряда проявляет отталкивающие силы, действующие на одноименно заряженные частицы, которые падают в загружаемый объем. Пока гравитационные силы преобладают над силами отталкивания частиц, происходит увеличение плотности заряда в объеме. Если заряженные частицы продолжают осаждаться в образовавшийся объем материала, когда напряженность поля превысила значение пробивной напряженности воздуха, происходят разряды на проводящие стенки заземленного бункера.

4.8 Механические силы в электростатическом поле

Электрическое поле электрического заряда может проявляться в механическом воздействии на смежные объекты. Пленки, заряженные до нескольких микрокулон на квадратный метр, могут прилипать к металлическим предметам, а частицы пыли могут притягиваться полями, обусловленными значительно меньшей плотностью зарядов.

Например сила, действующая на заряженную частицу вблизи от плоской заземленной пластины, может быть вычислена на основании закона Кулона:

 

, (5)

 

где q - заряд частицы;

d - расстояние до пластины.