تختلف جميع المواد في الدرجة التي يمكن أن تمر بها الشحنات الكهربائية. الموصلات السماح بتدفق الشحنات ، بينما عوازل تعيق حركة الشحنات. الكهرباء الساكنة هي المجال المخصص لدراسة الشحنات أو الأجسام المشحونة في حالة الراحة. كهرباء ساكنة ينتج عن تراكم الشحنات الكهربائية التي لا تتحرك على الأشياء. إذا كانت الشحنات تتدفق ، فإن النتائج الحالية والكهرباء لم تعد ثابتة. عادةً ما يُشار إلى التيار الناتج عن الرسوم المتحركة من قبل الأشخاص العاديين على أنه كهرباء ، وتتم مناقشته في المقالات الأخرى في هذا الفصل. الكهرباء الساكنة هو المصطلح المستخدم لتعيين أي عملية تؤدي إلى فصل الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة. يتم قياس التوصيل بخاصية تسمى تصرف، بينما يتميز العازل بخصائصه المقاومة النوعية. يمكن أن يحدث فصل الشحنات الذي يؤدي إلى الكهرباء نتيجة للعمليات الميكانيكية - على سبيل المثال ، الاتصال بين الأشياء والاحتكاك ، أو اصطدام سطحين. يمكن أن تكون الأسطح مادتين صلبتين أو صلبة وسائلة. يمكن أن تكون العملية الميكانيكية ، بشكل أقل شيوعًا ، تمزق أو انفصال الأسطح الصلبة أو السائلة. تركز هذه المقالة على الاتصال والاحتكاك.

عمليات الكهربة

إن ظاهرة توليد الكهرباء الساكنة عن طريق الاحتكاك (كهربة الاحتكاك) معروفة منذ آلاف السنين. الاتصال بين مادتين كافٍ للحث على الكهرباء. الاحتكاك هو ببساطة نوع من التفاعل الذي يزيد من مساحة التلامس ويولد الحرارة -احتكاك هو المصطلح العام لوصف حركة جسمين على اتصال ؛ الضغط المبذول وسرعة القص والحرارة المتولدة هي المحددات الأساسية للشحنة الناتجة عن الاحتكاك. يؤدي الاحتكاك أحيانًا إلى تمزق الجزيئات الصلبة أيضًا.

عندما يكون الجسدان المتلامسان معادن (تلامس فلز معادن) ، تهاجر الإلكترونات من أحدهما إلى الآخر. يتميز كل معدن بإمكانية أولية مختلفة (إمكانات فيرمي) ، وتتحرك الطبيعة دائمًا نحو التوازن - أي أن الظواهر الطبيعية تعمل على القضاء على الاختلافات في الإمكانات. ينتج عن هجرة الإلكترونات هذه توليد جهد اتصال. نظرًا لأن الشحنات في المعدن متحركة جدًا (المعادن موصلات ممتازة) ، فإن الشحنات ستتم إعادة تجميعها في آخر نقطة اتصال قبل فصل المعدنين. لذلك من المستحيل إحداث كهربة عن طريق الجمع بين معدنين ثم فصلهما ؛ سوف تتدفق الشحنات دائمًا لإزالة الفرق المحتمل.

عندما يكون للـ معدن و عازل تتلامس تقريبًا خالية من الاحتكاك في الفراغ ، حيث يقترب مستوى طاقة الإلكترونات في المعدن من مستوى طاقة العازل. تسبب الشوائب السطحية أو السائبة حدوث ذلك وتمنع أيضًا الانحناء (تفريغ الكهرباء بين الجسمين المشحونين - الأقطاب الكهربائية) عند الفصل. الشحنة المنقولة إلى العازل تتناسب طرديًا مع تقارب الإلكترون للمعدن ، ولكل عازل أيضًا تقارب إلكترون أو جاذبية للإلكترونات المرتبطة به. وبالتالي ، يمكن أيضًا نقل الأيونات الموجبة أو السالبة من العازل إلى المعدن. يتم وصف الشحنة على السطح بعد التلامس والانفصال في المعادلة 1 في الجدول 1.

الجدول 1. العلاقات الأساسية في الكهرباء الساكنة - مجموعة المعادلات

المعادلة 1: الشحن عن طريق ملامسة معدن وعازل

بشكل عام ، كثافة شحنة السطح () بعد الاتصال والانفصال 

يمكن التعبير عنها من خلال:

أين

e هي شحنة الإلكترون
N_E هي كثافة حالة الطاقة على سطح العازل
f_i هو تقارب الإلكترون للعازل ، و
f_m هو تقارب الإلكترون للمعدن

المعادلة 2: الشحن بعد التلامس بين عازلين

ينطبق الشكل العام التالي للمعادلة 1 على نقل الرسوم
بين عازلين بحالات طاقة مختلفة (أسطح نظيفة تمامًا فقط):

أين N_E1 و N_E2 هي كثافة حالة الطاقة على سطح العازلين ، 

و  ^Ø₁ و ^Ø ₂ هي تقاربات الإلكترون بين العوازل.

المعادلة 3: أقصى كثافة لشحنة السطح

قوة عازلة (E_G) من الغاز المحيط يفرض حدًا أعلى لشحنه
من الممكن أن تولد على سطح عازل مستوٍ. في الهواء، E_G ما يقرب من 3 MV / م.
يتم تحديد أقصى كثافة لشحنة السطح من خلال:

المعادلة 4: الشحنة القصوى على جسيم كروي

عندما يتم شحن الجسيمات الكروية اسميًا بواسطة تأثير الهالة ، يكون الحد الأقصى
الشحنة التي يمكن أن يكتسبها كل جسيم معطاة بحد باوثينير:

أين

q_ماكس هي أقصى شحنة
a هو نصف قطر الجسيم
e_I هي السماحية النسبية و

المعادلة 5: التصريفات من الموصلات

إمكانات موصل معزول يحمل الشحنة Q اعطي من قبل V = Q/C و
الطاقة المخزنة عن طريق:

المعادلة 6: الدورة الزمنية المحتملة للموصل المشحون

في موصل مشحون بتيار مستمر (I_G) ، والمسار الزمني ل
يتم وصف الإمكانات من خلال:

أين R_f هي مقاومة تسرب الموصل

المعادلة 7: الجهد النهائي للموصل المشحون

لدورة طويلة ، t >R_f C، وهذا يقلل إلى:

وتعطى الطاقة المخزنة بواسطة:

المعادلة 8: الطاقة المخزنة للموصل المشحون

عندما يتلامس عازلون ، يحدث نقل الشحنة بسبب الحالات المختلفة لطاقتهما السطحية (المعادلة 2 ، الجدول 1). يمكن للشحنات المنقولة إلى سطح العازل أن تنتقل إلى عمق المادة. يمكن أن تؤدي الرطوبة وتلوث السطح إلى تعديل سلوك الشحنات بشكل كبير. تزيد الرطوبة السطحية على وجه الخصوص من كثافات حالة الطاقة السطحية عن طريق زيادة التوصيل السطحي ، مما يفضل إعادة تركيب الشحنة ، ويسهل التنقل الأيوني. سيتعرف معظم الناس على هذا من تجارب حياتهم اليومية من خلال حقيقة أنهم يميلون إلى التعرض للكهرباء الساكنة أثناء الظروف الجافة. سيتغير المحتوى المائي لبعض البوليمرات (البلاستيك) عند شحنها. قد تؤدي الزيادة أو النقص في محتوى الماء إلى عكس اتجاه تدفق الشحن (قطبيته).

تعتمد قطبية (الإيجابية والسلبية النسبية) لعازلين متصلين ببعضهما البعض على تقارب الإلكترون لكل مادة. يمكن تصنيف العوازل من خلال تقارباتها الإلكترونية ، ويتم سرد بعض القيم التوضيحية في الجدول 2. يعد التقارب الإلكتروني للعازل أحد الاعتبارات المهمة لبرامج الوقاية ، والتي ستتم مناقشتها لاحقًا في هذه المقالة.

الجدول 2. تقاربات الإلكترون لبوليمرات مختارة *

* تكتسب المادة شحنة موجبة عندما تتلامس مع مادة مذكورة أعلاه ، وشحنة سالبة عندما تتلامس مع مادة مذكورة أدناه. ومع ذلك ، فإن تقارب الإلكترون للعازل متعدد العوامل.

على الرغم من وجود محاولات لإنشاء سلسلة كهرباء الاحتكاك التي من شأنها ترتيب المواد بحيث تظهر تلك التي تكتسب شحنة موجبة عند الاتصال بالمواد أعلى في السلسلة من تلك التي تكتسب شحنة سالبة عند الاتصال ، لم يتم إنشاء سلسلة معترف بها عالميًا.

عندما يلتقي مادة صلبة مع سائل (لتشكيل أ واجهة صلبة سائلة) ، يحدث نقل الشحنة بسبب هجرة الأيونات الموجودة في السائل. تنشأ هذه الأيونات من تفكك الشوائب التي قد تكون موجودة أو عن طريق تفاعلات الأكسدة الكهروكيميائية. نظرًا لعدم وجود سوائل نقية تمامًا في الممارسة العملية ، سيكون هناك دائمًا على الأقل بعض الأيونات الموجبة والسالبة في السائل المتاح للارتباط بالواجهة السائلة الصلبة. هناك العديد من الآليات التي يمكن أن يحدث من خلالها هذا الارتباط (على سبيل المثال ، الالتصاق الكهروستاتيكي بالأسطح المعدنية ، الامتصاص الكيميائي ، الحقن الإلكتروليتي ، تفكك المجموعات القطبية ، وإذا كان جدار الوعاء الدموي عازلًا ، فإن التفاعلات السائلة الصلبة.)

نظرًا لأن المواد التي تذوب (تنفصل) تكون محايدة كهربائيًا في البداية ، فإنها ستولد أعدادًا متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. تحدث الكهربة فقط إذا كانت الشحنات الموجبة أو السالبة تلتصق بشكل تفضيلي بسطح المادة الصلبة. في حالة حدوث ذلك ، يتم تكوين طبقة مضغوطة جدًا ، تُعرف باسم طبقة هيلمهولتز. نظرًا لأن طبقة هيلمهولتز مشحونة ، فإنها ستجذب إليها أيونات ذات قطبية معاكسة. سوف تتجمع هذه الأيونات في طبقة أكثر انتشارًا ، تُعرف باسم طبقة Gouy ، والتي تقع فوق سطح طبقة Helmholtz المدمجة. يزداد سمك طبقة Gouy مع مقاومة السائل. تشكل السوائل الموصلة طبقات رقيقة جدا من Gouy.

ستنفصل هذه الطبقة المزدوجة إذا كان السائل يتدفق ، مع بقاء طبقة هيلمهولتز مرتبطة بالواجهة وتصبح طبقة جوي مقيدة بالسائل المتدفق. تنتج حركة هذه الطبقات المشحونة فرقًا في الجهد ( زيتا المحتملة) ، ويعرف التيار الناجم عن الرسوم المتحركة باسم تيار التدفق. تعتمد كمية الشحنة التي تتراكم في السائل على معدل انتشار الأيونات باتجاه الواجهة وعلى مقاومة السائل (ص). ومع ذلك ، فإن تيار التدفق ثابت بمرور الوقت.

لن يتم شحن أي من السوائل شديدة العزل أو الموصلة - الأول بسبب وجود عدد قليل جدًا من الأيونات ، والثاني لأنه في السوائل التي توصل الكهرباء بشكل جيد للغاية ، سوف تتحد الأيونات بسرعة كبيرة. في الممارسة العملية ، تحدث الكهرباء فقط في السوائل ذات المقاومة الأكبر من 10⁷ميكرومتر أو أقل من 10¹¹Ωm ، مع ملاحظة أعلى قيم لـ r 10⁹ إلى 10¹¹ Ω م.

سوف تؤدي السوائل المتدفقة إلى تراكم الشحنات في الأسطح العازلة التي تتدفق عليها. إن مدى تراكم كثافة الشحنة السطحية محدود بـ (1) مدى سرعة إعادة تجميع الأيونات في السائل عند السطح البيني السائل الصلب ، (2) مدى سرعة توصيل الأيونات في السائل عبر العازل ، أو ( 3) ما إذا كان الانحناء السطحي أو السائب من خلال العازل يحدث وبالتالي يتم تفريغ الشحنة. التدفق المضطرب والتدفق على الأسطح الخشنة يفضل الكهرباء.

عندما يتم تطبيق جهد عالي - لنقل عدة كيلو فولتات - على جسم مشحون (قطب كهربائي) له نصف قطر صغير (على سبيل المثال ، سلك) ، يكون المجال الكهربائي في المنطقة المجاورة مباشرة للجسم المشحون مرتفعًا ، ولكنه يتناقص بسرعة مع مسافه: بعد. إذا كان هناك تفريغ للشحنات المخزنة ، فسيقتصر التفريغ على المنطقة التي يكون فيها المجال الكهربائي أقوى من القوة العازلة للغلاف الجوي المحيط ، وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير الإكليل ، لأن الانحناء ينبعث منه الضوء أيضًا. (ربما يكون الناس قد رأوا شرارات صغيرة تتشكل عندما تعرضوا شخصيًا لصدمة من الكهرباء الساكنة).

يمكن أيضًا تغيير كثافة الشحنة على سطح عازل بواسطة الإلكترونات المتحركة التي يتم إنشاؤها بواسطة مجال كهربائي عالي الكثافة. ستولد هذه الإلكترونات أيونات من أي جزيئات غاز في الغلاف الجوي تتلامس معها. عندما تكون الشحنة الكهربائية على الجسم موجبة ، فإن الجسم المشحون سوف يصد أي أيونات موجبة تكونت. ستفقد الإلكترونات الناتجة عن الأجسام المشحونة سالبة الطاقة عندما تنحسر من القطب ، وسوف تلتصق بجزيئات الغاز في الغلاف الجوي ، وبالتالي تشكل أيونات سالبة تستمر في الانحسار بعيدًا عن نقاط الشحن. يمكن لهذه الأيونات الموجبة والسالبة أن تستقر على أي سطح عازل وستعمل على تعديل كثافة شحنة السطح. هذا النوع من الشحنات أسهل في التحكم وأكثر اتساقًا من الشحنات الناتجة عن الاحتكاك. هناك حدود لمدى الرسوم التي يمكن توليدها بهذه الطريقة. يتم وصف الحد رياضياً في المعادلة 3 في الجدول 1.

لتوليد شحنة أعلى ، يجب زيادة القوة العازلة للبيئة ، إما عن طريق خلق فراغ أو عن طريق تعدين السطح الآخر للفيلم العازل. تقوم الحيلة الأخيرة بسحب المجال الكهربائي إلى العازل وبالتالي تقلل من شدة المجال في الغاز المحيط.

عندما يكون الموصل في مجال كهربائي (E) مؤرض (انظر الشكل 1) ، يمكن إنتاج الشحنات عن طريق الحث. في ظل هذه الظروف ، يحث المجال الكهربائي على الاستقطاب - الفصل بين مراكز الجاذبية للأيونات السالبة والموجبة للموصل. الموصل الذي يتم تأريضه مؤقتًا عند نقطة واحدة فقط سيحمل صافي شحنة عند فصله عن الأرض ، بسبب انتقال الرسوم بالقرب من النقطة. وهذا ما يفسر سبب تأرجح الجسيمات الموصلة الموجودة في مجال موحد بين الأقطاب الكهربائية والشحن والتفريغ عند كل اتصال.

الشكل 1. آلية شحن الموصل عن طريق الحث

الأخطار المرتبطة بالكهرباء الساكنة

تتراوح الآثار السيئة الناجمة عن تراكم الكهرباء الساكنة من الانزعاج الذي يعاني منه المرء عند لمس جسم مشحون ، مثل مقبض الباب ، إلى الإصابات الخطيرة للغاية ، وحتى الوفيات ، التي يمكن أن تحدث من انفجار ناتج عن الكهرباء الساكنة. يتراوح التأثير الفسيولوجي لتفريغ الشحنات الكهروستاتيكية على البشر من الوخز غير المريح إلى الأفعال المنعكسة العنيفة. تنتج هذه التأثيرات عن تيار التفريغ وبالأخص كثافة التيار على الجلد.

سنصف في هذه المقالة بعض الطرق العملية التي يمكن من خلالها أن تصبح الأسطح والأشياء مشحونة (كهربة). عندما يتجاوز المجال الكهربائي المستحث قدرة البيئة المحيطة على تحمل الشحنة (أي يتجاوز القوة العازلة للبيئة) ، يحدث تفريغ. (في الهواء ، يوصف منحنى باشن القوة العازلة وهي دالة لمنتج الضغط والمسافة بين الأجسام المشحونة.)

يمكن أن تتخذ التصريفات التخريبية الأشكال التالية:

• الشرر أو الأقواس التي تربط جسدين مشحونين (قطبين معدنيين)

• التفريغ الجزئي ، أو الفرشاة ، الذي يصل قطبًا كهربائيًا معدنيًا وعازلًا ، أو حتى عازلين ؛ تسمى هذه التفريغات جزئية لأن مسار التوصيل لا يقصر قطبين معدنيين تمامًا ، ولكنه عادة ما يكون متعددًا وشبيهًا بالفرشاة

• تصريفات الهالة ، والمعروفة أيضًا باسم تأثيرات النقطة ، والتي تنشأ في المجال الكهربائي القوي حول الأجسام أو الأقطاب الكهربائية المشحونة بنصف قطر صغير.

الموصلات المعزولة لها سعة صافية C نسبة إلى الأرض. يتم التعبير عن هذه العلاقة بين الشحنة والإمكانات في المعادلة 5 في الجدول 1.

الشخص الذي يرتدي حذاء عازل هو مثال شائع للموصل المعزول. جسم الإنسان موصل إلكتروستاتيكي ، بسعة نموذجية بالنسبة للأرض تبلغ حوالي 150 بيكو فاراد وإمكانية تصل إلى 30 كيلوفولت. نظرًا لأن الأشخاص يمكن أن يكونوا موصلات عازلة ، فيمكنهم تجربة التفريغ الكهروستاتيكي ، مثل الإحساس المؤلم إلى حد ما الذي يحدث أحيانًا عندما تقترب اليد من مقبض الباب أو أي جسم معدني آخر. عندما تصل الإمكانات إلى حوالي 2 كيلو فولت ، سيتم اختبار ما يعادل 0.3 مللي جول ، على الرغم من أن هذه العتبة تختلف من شخص لآخر. قد يؤدي التصريف الأقوى إلى حركات لا يمكن السيطرة عليها مما يؤدي إلى السقوط. في حالة استخدام العمال للأدوات ، قد تؤدي الحركات الانعكاسية اللاإرادية إلى إصابات للضحية وآخرين ممن قد يعملون في مكان قريب. تصف المعادلات من 6 إلى 8 في الجدول 1 المسار الزمني للإمكانات.

سيحدث الانحناء الفعلي عندما تتجاوز قوة المجال الكهربائي المستحث قوة الهواء العازلة. بسبب الهجرة السريعة للشحنات في الموصلات ، تتدفق جميع الشحنات بشكل أساسي إلى نقطة التفريغ ، مما يؤدي إلى إطلاق كل الطاقة المخزنة في شرارة. يمكن أن يكون لهذا آثار خطيرة عند العمل مع المواد القابلة للاشتعال أو المتفجرة أو في ظروف قابلة للاشتعال.

إن اقتراب القطب المؤرض إلى سطح عازل مشحون يعدل المجال الكهربائي ويحفز شحنة في القطب. مع اقتراب الأسطح من بعضها البعض ، تزداد شدة المجال ، مما يؤدي في النهاية إلى تفريغ جزئي من السطح المعزول المشحون. نظرًا لأن الشحنات على الأسطح العازلة ليست متحركة جدًا ، فإن نسبة صغيرة فقط من السطح تشارك في التفريغ ، وبالتالي فإن الطاقة المنبعثة من هذا النوع من التفريغ أقل بكثير مما هي عليه في الأقواس.

يبدو أن الشحنة والطاقة المنقولة يتناسبان طرديًا مع قطر القطب المعدني ، حتى 20 مم تقريبًا. يؤثر القطبية الأولية للعازل أيضًا على الشحن والطاقة المنقولة. التفريغ الجزئي من الأسطح موجبة الشحنة أقل نشاطًا من التفريغ من الأسطح سالبة الشحنة. من المستحيل تحديد على الأرجح، الطاقة المنقولة عن طريق التفريغ من سطح عازل ، على عكس الحالة التي تنطوي على أسطح موصلة. في الواقع ، نظرًا لأن السطح العازل ليس متساوي الجهد ، فليس من الممكن حتى تحديد السعات المعنية.

إفراز زاحف

رأينا في المعادلة 3 (الجدول 1) أن كثافة الشحنة السطحية لسطح عازل في الهواء لا يمكن أن تتجاوز 2,660 بكسل / سم².

إذا أخذنا في الاعتبار لوحة عازلة أو فيلم سمك a، بالاستناد على قطب كهربائي معدني أو له وجه معدني واحد ، من السهل إثبات أن المجال الكهربائي يتم سحبه إلى العازل بواسطة الشحنة المستحثة على القطب حيث يتم ترسيب الشحنات على الوجه غير المعدني. نتيجة لذلك ، يكون المجال الكهربائي في الهواء ضعيفًا جدًا ، وأقل مما سيكون عليه لو لم يكن أحد الوجوه من المعدن. في هذه الحالة ، لا تحد القوة العازلة للهواء من تراكم الشحنة على السطح العازل ، ومن الممكن الوصول إلى كثافة شحنة عالية جدًا للسطح (> 2,660 pC / cm²). يزيد تراكم الشحنة هذا من الموصلية السطحية للعازل.

عندما يقترب قطب كهربائي من سطح عازل ، يحدث تفريغ زاحف يتضمن نسبة كبيرة من السطح المشحون الذي أصبح موصلًا. بسبب المساحات السطحية الكبيرة المتضمنة ، يطلق هذا النوع من التفريغ كميات كبيرة من الطاقة. في حالة الأفلام ، يكون مجال الهواء ضعيفًا جدًا ، ويجب ألا تزيد المسافة بين القطب والفيلم عن سماكة الفيلم حتى يحدث التفريغ. قد يحدث تفريغ زاحف أيضًا عند فصل عازل مشحون عن طبقة الطلاء المعدنية السفلية له. في ظل هذه الظروف ، يزداد المجال الجوي بشكل مفاجئ ويتم تفريغ سطح العازل بالكامل لإعادة التوازن.

التصريفات الكهروستاتيكية ومخاطر الحريق والانفجار

في الأجواء القابلة للانفجار ، قد تحدث تفاعلات الأكسدة الطاردة للحرارة العنيفة ، التي تتضمن نقل الطاقة إلى الغلاف الجوي ، عن طريق:

• اللهب المكشوف

• شرارات كهربائية

• شرارات ترددات الراديو بالقرب من مصدر راديو قوي

• الشرر الناتج عن الاصطدامات (على سبيل المثال ، بين المعدن والخرسانة)

• تفريغ الكهرباء الساكنة.

نحن مهتمون هنا فقط في الحالة الأخيرة. نقاط الوميض (درجة الحرارة التي تشتعل عندها الأبخرة السائلة عند ملامستها لهب مكشوف) لسوائل مختلفة ، ودرجة حرارة الاشتعال الذاتي للأبخرة المختلفة مذكورة في القسم الكيميائي لهذا موسوعة. يمكن تقييم مخاطر الحريق المرتبطة بالتفريغ الكهروستاتيكي بالرجوع إلى الحد الأدنى لقابلية الاشتعال للغازات والأبخرة والأيروسولات الصلبة أو السائلة. قد يختلف هذا الحد بشكل كبير ، كما يوضح الجدول 3.

الجدول 3. الحدود الدنيا النموذجية للقابلية للاشتعال

يمكن أن ينفجر خليط من الهواء والغاز أو البخار القابل للاشتعال فقط عندما يكون تركيز المادة القابلة للاشتعال بين حدي الانفجار العلوي والسفلي. ضمن هذا النطاق ، تعتمد طاقة الاشتعال الدنيا (MIE) - الطاقة التي يجب أن يمتلكها التفريغ الكهروستاتيكي لإشعال الخليط - بدرجة عالية على التركيز. لقد ثبت باستمرار أن الحد الأدنى من طاقة الاشتعال يعتمد على سرعة إطلاق الطاقة ، وبالتالي ، على مدة التفريغ. نصف قطر القطب هو أيضًا عامل:

• تؤدي الأقطاب الكهربائية ذات القطر الصغير (بترتيب عدة مليمترات) إلى تفريغ هالة بدلاً من شرارات.

• مع الأقطاب الكهربائية ذات القطر الأكبر (بترتيب عدة سنتيمترات) ، تعمل كتلة القطب على تبريد الشرر.

بشكل عام ، يتم الحصول على أقل MIEs بأقطاب كهربائية كبيرة بما يكفي لمنع تفريغ الإكليل.

يعتمد MIE أيضًا على مسافة الأقطاب الكهربائية ، وهو أدنى مستوى عند مسافة التبريد ("مسافة pincement") ، وهي المسافة التي تتجاوز فيها الطاقة المنتجة في منطقة التفاعل الخسائر الحرارية عند الأقطاب الكهربائية. لقد ثبت تجريبياً أن كل مادة قابلة للاشتعال لها مسافة آمنة قصوى ، تقابل الحد الأدنى لمسافة الأقطاب الكهربائية التي يمكن أن يحدث عندها انفجار. بالنسبة للهيدروكربونات ، هذا أقل من 1 مم.

يعتمد احتمال انفجار المسحوق على التركيز ، مع وجود أعلى احتمال مرتبط بتركيزات تتراوح من 200 إلى 500 جم / م.³. يعتمد MIE أيضًا على حجم الجسيمات ، حيث تنفجر المساحيق الدقيقة بسهولة أكبر. لكل من الغازات والهباء الجوي ، يتناقص MIE مع درجة الحرارة.

أمثلة صناعية

تولد العديد من العمليات المستخدمة بشكل روتيني لمناولة ونقل المواد الكيميائية شحنات إلكتروستاتيكية. وتشمل هذه:

• صب مساحيق من أكياس

• الفحص

• النقل في الأنابيب

• التحريض السائل ، خاصة في وجود أطوار متعددة ، أو مواد صلبة معلقة أو قطرات من السوائل غير القابلة للامتزاج

• رش السائل أو التغشية.

تشمل عواقب توليد الشحنة الكهروستاتيكية المشاكل الميكانيكية ، وخطر التفريغ الكهروستاتيكي للمشغلين ، وفي حالة استخدام منتجات تحتوي على مذيبات أو أبخرة قابلة للاشتعال ، حتى الانفجار (انظر الجدول 4).

الجدول 4. الرسوم المحددة المرتبطة بعمليات صناعية مختارة

تحتوي الهيدروكربونات السائلة ، مثل الزيت والكيروسين والعديد من المذيبات الشائعة ، على خاصيتين تجعلها حساسة بشكل خاص لمشاكل الكهرباء الساكنة:

• مقاومة عالية ، مما يسمح لها بتراكم مستويات عالية من الشحنات

• أبخرة قابلة للاشتعال ، مما يزيد من مخاطر التصريفات منخفضة الطاقة مما يؤدي إلى نشوب حرائق وانفجارات.

قد تتولد الشحنات أثناء تدفق النقل (على سبيل المثال ، من خلال الأنابيب أو المضخات أو الصمامات). قد يؤدي المرور عبر المرشحات الدقيقة ، مثل تلك المستخدمة أثناء ملء خزانات الطائرات ، إلى توليد كثافات شحنة تصل إلى عدة مئات ميكرو كولوم لكل متر مكعب. قد يؤدي ترسيب الجسيمات وتوليد ضباب مشحون أو رغاوي أثناء ملء الخزانات بالتدفق إلى توليد شحنات أيضًا.

بين عامي 1953 و 1971 ، كانت الكهرباء الساكنة مسؤولة عن 35 حريقًا وانفجارًا أثناء أو بعد ملء خزانات الكيروسين ، ووقعت المزيد من الحوادث أثناء ملء صهاريج الشاحنات. كان وجود المرشحات أو الرش أثناء التعبئة (بسبب تولد الرغاوي أو الضباب) من أكثر عوامل الخطر شيوعًا التي تم تحديدها. كما وقعت حوادث على متن ناقلات النفط ، خاصة أثناء تنظيف الخزانات.

مبادئ منع الكهرباء الساكنة

تنشأ جميع المشكلات المتعلقة بالكهرباء الساكنة من:

• توليد الشحنات الكهربائية

• تراكم هذه الرسوم على العوازل أو الموصلات المعزولة

• المجال الكهربائي الناتج عن هذه الشحنات ، والذي يؤدي بدوره إلى قوة أو تفريغ معطل.

تسعى التدابير الوقائية إلى تجنب تراكم الشحنات الكهروستاتيكية ، والاستراتيجية المختارة هي تجنب توليد الشحنات الكهربائية في المقام الأول. إذا لم يكن ذلك ممكناً ، يجب تنفيذ التدابير المصممة لتأسيس الرسوم. أخيرًا ، إذا كان التفريغ أمرًا لا مفر منه ، فيجب حماية الأشياء الحساسة من تأثيرات التصريفات.

قمع أو تقليل توليد الشحنة الكهروستاتيكية

هذا هو النهج الأول للوقاية من الكهرباء الساكنة الذي يجب اتباعه ، لأنه الإجراء الوقائي الوحيد الذي يقضي على المشكلة من مصدرها. ومع ذلك ، كما تمت مناقشته سابقًا ، يتم إنشاء الرسوم عندما تتلامس مادتان ، إحداهما على الأقل عازلة ، ويتم فصلهما لاحقًا. في الممارسة العملية ، يمكن أن يحدث توليد الشحن حتى عند الاتصال وفصل المادة مع نفسها. في الواقع ، يشمل توليد الشحنات الطبقات السطحية للمواد. نظرًا لأن أدنى اختلاف في رطوبة السطح أو تلوث السطح يؤدي إلى توليد شحنات ثابتة ، فمن المستحيل تجنب توليد الشحن تمامًا.

لتقليل كمية الشحنات الناتجة عن تلامس الأسطح:

• تجنب تلامس المواد مع بعضها البعض إذا كان لديهم ارتباطات إلكترونية مختلفة تمامًا - أي إذا كانت متباعدة جدًا في سلسلة كهرباء الاحتكاك. على سبيل المثال ، تجنب التلامس بين الزجاج والتفلون (PTFE) ، أو بين PVC والبولي أميد (النايلون) (انظر الجدول 2).

• تقليل معدل التدفق بين المواد. هذا يقلل من سرعة القص بين المواد الصلبة. على سبيل المثال ، يمكن تقليل معدل تدفق قذف الأغشية البلاستيكية ، أو حركة المواد المكسرة على ناقل ، أو السوائل في خط الأنابيب.

لم يتم وضع حدود أمان نهائية لمعدلات التدفق. المعيار البريطاني BS-5958-Part 2  مدونة قواعد الممارسة للتحكم في الكهرباء الساكنة غير المرغوب فيها توصي بأن يكون ناتج السرعة (بالأمتار في الثانية) وقطر الأنبوب (بالأمتار) أقل من 0.38 للسوائل ذات الموصلية أقل من 5 pS / m (في بيكو سيمنز لكل متر) وأقل من 0.5 للسوائل مع موصلات أعلى من 5 pS / م. هذا المعيار صالح فقط للسوائل أحادية الطور المنقولة بسرعات لا تزيد عن 7 م / ث.

وتجدر الإشارة إلى أن تقليل القص أو سرعة التدفق لا يقلل من توليد الشحن فحسب ، بل يساعد أيضًا في تبديد أي شحنات متولدة. وذلك لأن سرعات التدفق المنخفضة تؤدي إلى أوقات إقامة أعلى من تلك المرتبطة بمناطق الاسترخاء ، حيث يتم تقليل معدلات التدفق من خلال استراتيجيات مثل زيادة قطر الأنبوب. وهذا بدوره يزيد من التأريض.

تأريض الكهرباء الساكنة

القاعدة الأساسية للوقاية من الكهرباء الساكنة هي القضاء على الفروق المحتملة بين الأشياء. يمكن القيام بذلك عن طريق توصيلهم أو عن طريق تأريضهم (تأريضهم). ومع ذلك ، يمكن للموصلات المعزولة أن تتراكم الشحنات وبالتالي قد يتم شحنها عن طريق الحث ، وهي ظاهرة فريدة بالنسبة لهم. قد يتخذ التفريغ من الموصلات شكل شرارات عالية الطاقة وخطيرة.

تتوافق هذه القاعدة مع التوصيات المتعلقة بمنع الصدمات الكهربائية ، والتي تتطلب أيضًا تأريض جميع الأجزاء المعدنية التي يمكن الوصول إليها من المعدات الكهربائية كما في المعيار الفرنسي التركيبات الكهربائية ذات الجهد المنخفض (NFC 15-100). لتحقيق أقصى قدر من السلامة الكهروستاتيكية ، شاغلنا هنا ، يجب تعميم هذه القاعدة على جميع العناصر الموصلة. ويشمل ذلك إطارات الطاولات المعدنية ، ومقابض الأبواب ، والمكونات الإلكترونية ، والخزانات المستخدمة في الصناعات الكيميائية ، وشاسيه المركبات المستخدمة في نقل الهيدروكربونات.

من وجهة نظر السلامة الكهروستاتيكية ، سيكون العالم المثالي هو العالم الذي سيكون فيه كل شيء موصلًا وسيكون مؤرضًا بشكل دائم ، وبالتالي نقل جميع الشحنات إلى الأرض. في ظل هذه الظروف ، سيكون كل شيء متساوي الجهد بشكل دائم ، وبالتالي فإن المجال الكهربائي - وخطر التفريغ - سيكون صفرًا. ومع ذلك ، يكاد يكون من المستحيل تحقيق هذا المثل الأعلى للأسباب التالية:

• ليست كل المنتجات التي يجب التعامل معها هي موصلات ، والعديد منها لا يمكن جعله موصلاً باستخدام المواد المضافة. ومن الأمثلة على ذلك المنتجات الزراعية والصيدلانية والسوائل عالية النقاء.

• قد تمنع خصائص المنتج النهائي المرغوبة ، مثل الشفافية الضوئية أو الموصلية الحرارية المنخفضة ، استخدام المواد الموصلة.

• من المستحيل تأريض المعدات المتنقلة بشكل دائم مثل العربات المعدنية والأدوات الإلكترونية اللاسلكية والمركبات وحتى المشغلين البشريين.

حماية ضد تفريغ الكهرباء الساكنة

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن هذا القسم معني فقط بحماية المعدات الحساسة للكهرباء الساكنة من التصريفات التي لا مفر منها ، وتقليل توليد الشحنات والتخلص من الشحنات. القدرة على حماية المعدات لا تلغي الضرورة الأساسية لمنع تراكم الشحنات الكهروستاتيكية في المقام الأول.

كما يوضح الشكل 2 ، تتضمن جميع المشكلات الكهروستاتيكية مصدرًا لتفريغ الشحنات الكهروستاتيكية (الجسم المشحون في البداية) ، وهدفًا يتلقى التفريغ ، والبيئة التي ينتقل من خلالها التفريغ (التفريغ العازل). وتجدر الإشارة إلى أن الهدف أو البيئة يمكن أن تكون حساسة للكهرباء الساكنة. بعض الأمثلة على العناصر الحساسة مذكورة في الجدول 5.

الشكل 2. رسم تخطيطي لمشكلة التفريغ الكهروستاتيكي

الجدول 6. أمثلة على المعدات الحساسة لتفريغ الكهرباء الساكنة

حماية العمال

يمكن للعمال الذين لديهم سبب للاعتقاد بأنهم قد أصبحوا مشحونين بالكهرباء (على سبيل المثال ، عند النزول من مركبة في الطقس الجاف أو المشي بأنواع معينة من الأحذية) ، تطبيق عدد من الإجراءات الوقائية ، مثل ما يلي:

• قم بتقليل كثافة التيار على مستوى الجلد عن طريق لمس موصل مؤرض بقطعة من المعدن مثل مفتاح أو أداة.

• قم بتقليل قيمة الذروة للتيار عن طريق التفريغ إلى جسم مشتت ، إذا كان متاحًا (سطح طاولة أو جهاز خاص مثل رباط المعصم الواقي بمقاومة تسلسلية).

الحماية في الأجواء المتفجرة

في الأجواء القابلة للانفجار ، تكون البيئة نفسها حساسة لتفريغ الشحنات الكهروستاتيكية ، وقد يؤدي التفريغ إلى الاشتعال أو الانفجار. تتكون الحماية في هذه الحالات من استبدال الهواء ، إما بمزيج غاز يكون محتواه من الأكسجين أقل من الحد الأدنى للانفجار ، أو بغاز خامل ، مثل النيتروجين. تم استخدام الغاز الخامل في الصوامع وأوعية التفاعل في الصناعات الكيميائية والصيدلانية. في هذه الحالة ، هناك حاجة إلى احتياطات كافية لضمان حصول العمال على إمدادات هواء كافية.

الرجوع