Статическое электричество¶
Статическое электричество — совокупность электрических явлений, обусловленных появлением, сохранением и медленным рассеиванием неподвижных электрических зарядов на поверхности или внутри диэлектриков и изоляторов. В отличие от токов, статическое электричество возникает при трении, разделении зарядов или воздействии сильного электрического поля и проявляется в виде искровых разрядов, притяжения лёгких предметов и разрядных ударов при касании металлических объектов.
¶Природа явления
В обычном нейтральном веществе положительные и отрицательные заряды уравновешены. При определённых воздействиях — трении, контакте и разделении материалов, ионизации воздуха — происходит перераспределение электронов, в результате чего на поверхности тела накапливается избыток или недостаток электронов. Поскольку диэлектрики плохо проводят ток, накопленный заряд рассеивается медленно — от долей секунды до многих часов и даже суток, в зависимости от влажности воздуха, свойств материала и формы тела.
Ключевое отличие статического электричества от токов низкого напряжения состоит в том, что при разряде действует высокое напряжение (тысячи и десятки тысяч вольт), но очень маленькая энергия и продолжительность. Именно поэтому статический разряд редко бывает смертельным для человека, но легко повреждает чувствительную электронику и способен воспламенить горючие вещества.
¶Способы возникновения
Основные механизмы накопления статического заряда:
- Электростатическая индукция — разделение зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля. При приближении заряженного тела к изолированному проводнику на ближней стороне наводится заряд противоположного знака, на дальней — одноимённый.
- Контактная электризация (трибоэлектризация) — перенос зарядов при контакте и последующем разделении двух материалов. Наиболее интенсивно заряд образуется при контакте сильно различающихся по трибоэлектрической ряду веществ.
- Электретный эффект — самопроизвольная поляризация диэлектрика под действием сильного поля с сохранением заряда после снятия поля.
- Ионизация воздуха — например, при коронном разряде с острых проводников или в атмосфере во время грозы.
Трибоэлектрический ряд — это экспериментально установленная последовательность материалов, показывающая, какой знак заряда приобретает каждый из них при контакте с другим. В общем виде положение в ряду определяется способностью материала удерживать электроны: вещества, стоящие выше, при трении обладают тенденцией терять электроны и заряжаться положительно, нижние — приобретать электроны и заряжаться отрицательно.
¶Опасности и практическое значение
¶Взрывы и пожары
Статический разряд обладает достаточной энергией для воспламенения горючих газов, паров растворителей и пылевоздушных смесей. Известны десятки аварий на нефтеперерабатывающих, химических и мукомольных предприятиях, причиной которых стало искрение при сливе горючих жидкостей, разгрузке порошков или протирке оборудования. По этой причине на опасных производственных объектах применяют заземление, ионизаторы, антистатические покрытия и регламентируют скорость перекачки жидкостей.
¶Влияние на электронику
Микросхемы и полупроводниковые приборы чувствительны к кратковременным перенапряжениям. Разряд напряжением 2–4 кВ, не ощущаемый человеком как болевой удар, способен пробить оксидный слой транзистора и вывести из строя оборудование. В производстве электроники применяют антистатические коврики, заземляющие браслеты, ионизирующие воздуходувки и упаковку из токопроводящих материалов.
¶Воздействие на человека
При касании заземлённого предмета после ходьбы по синтетическому ковру человек ощущает кратковременный разряд. Напряжение при этом может достигать 10–35 кВ, ток — единицы микроампер, продолжительность — микросекунды. Ощущение — щелчок и лёгкое жжение. Для здорового человека такая разрядка не опасна. Однако в медицинских и лабораторных условиях, где работают с кардиостимуляторами и чувствительными приборами, статическое электричество может создавать помехи.
¶Защита от статического электричества
Основные методы:
- Заземление и зануление — соединение поверхностей с землёй для отвода накапливающегося заряда.
- Увлажнение воздуха — повышение относительной влажности выше 40–50 % резко увеличивает поверхностную проводимость и уменьшает накопление заряда.
- Ионизация воздуха — установка коронных ионизаторов, создающих противоположно заряженные ионы, нейтрализующие заряд на поверхностях.
- Проводящие и антистатические материалы — покрытия, добавки в полимеры, токопроводящие подошвы обуви, заземляющие браслеты.
- Конструктивные меры — ограничение скорости потоков жидкостей и порошков, применение заземлённых ёмкостей, исключение разбрызгивания.
¶Статическое электричество в природе
Наиболее мощный природный пример — атмосферное электричество. Разделение зарядов в грозовой туче создаёт электрическое поле до 10⁵ В/м у поверхности земли и приводит к молниям — каналам мощного искрового разряда длиной до нескольких километров. Молния представляет собой кратковременный ток силой до 200 кА, нагревающий воздух канала до 30 000 °C. Статическое накопление заряда также наблюдается при извержениях вулканов, сильных песчаных бурях и при движении сухого снега.
¶Исторические сведения
Явление притяжения лёгких тел после трения янтаря описано Фалесом Милетским около VI века до н. э. Термин «электричество» происходит от греческого слова ἤλεκτρον — янтарь. В XVII веке Уильям Гилберт в трактате «О магните» (1600) подробно описал электризацию трением. В 1663 году Отто фон Герике сконструировал первый электростатический генератор — серный шар, вращаемый рукой, с помощью которого демонстрировал электрическое притяжение. В XVIII веке работы Бенджамина Франклина установили единую природу статического электричества и молнии, а Питер ван Мушенбрук в 1745 году создал лейденскую банку — первый накопитель электрического заряда.
¶Измерение
Для количественной оценки заряда используют электрометры, электростатические вольтметры и индикаторы поверхностного потенциала. В промышленности применяют портативные измерители поверхностного сопротивления и потенциала, позволяющие контролировать эффективность антистатических мер.
Источники:
- Физическая энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том III. Электричество. — М.: Наука.
- Трофимова Т. И. Курс общей физики. — М.: Высшая школа.
- Гуревич М. М. Электричество и магнетизм. — М.: Высшая школа.