Zjawisko Elektryczności Statycznej

Zjawisko elektryczności statycznej jest jednym z pierwszych poznanych w dziedzinie elektryki. Mimo upływu lat oraz postępu w rozwoju nauki i techniki ten rodzaj elektryczności wymyka się często spod kontroli. Zjawisko to należy również do jednych z przyczyn uszkodzeń sprzętu komputerowego. Aby przybliżyć Państwu nieco tę problematykę zachęcamy do zapoznania się z poniższym tekstem.

Powstawaniu Zjawiska Elektryczności Statycznej sprzyja powszechne stosowanie materiałów o dużej rezystywności przykładowo:

– wykładzin podłogowych

– materiałów opakowaniowych

oraz osiągane znaczne przyspieszenie w wielu procesach technologicznych przykładowo:

– przewijanie folii z tworzyw sztucznych

– szlifowanie drewna

a także tworzenie środowisk o np. nienaturalnie małej wilgotności atmosfery przykładowo:

– przemysł farmaceutyczny,

– przemysł kosmetyczny itp.

Występowanie niekontrolowanych i nadmiernych ładunków elektrostatycznych wywołuje takie bezpośrednie skutki jak:

– zagrożenie zdrowia ludzi,
– zakłócenia pracy i uszkodzenia urządzeń (zwłaszcza elektronicznych),
– zakłócenia procesów technologicznych,
– zagrożenie pożarowo-wybuchowe.

Dla przykładu można podać tutaj następujące zjawisko, z którym spotkał się każdy użytkownik komputera:

Podchodząc do komputera z zewnętrznym urządzeniem typu: pendrive, mp3, aparat fotograficzny itp. nagle następuje przeskok iskry. W większości przypadków urządzenia są odporne na tego typu zjawiska lecz wszystko jest zależne od jego siły, jeśli różnica potencjałów będzie znacząca i wygenerowany zostanie wysoki ładunek elektrostatyczny wówczas dojdzie do uszkodzenia sprzętu komputerowego na skutek powstania Zjawiska Elektryczności Statycznej

Pomiary elektrostatyczne:

Na podstawie pomiarów elektrostatycznych można określić wielkości charakteryzujących stan naelektryzowania. Należą do nich m.in.:

Q – ładunek elektrostatyczny, C,
Q/m – gęstość ładunku elektrostatycznego, C/kg,
Q/S – gęstość powierzchniowa ładunku elektrostatycznego, C/m2.

Pomiar ładunku elektrostatycznego metodą naczynia Faradaya. Zasada działania takiego naczynia wynika bezpośrednio z twierdzenia Gaussa (fundamentalnego w elektrostatyce). Sygnał na wyjściu wzmacniacza elektrometrycznego w tym układzie jest proporcjonalny do ładunku indukowanego na ściankach naczynia (-q), a zatem do ładunku mierzonego (+q). Układ taki oprócz pomiaru ładunku elektrostatycznego q (Q) w połączeniu z wagą może również służyć do pomiaru gęstości ładunku w masie materiału Q/m.
Metoda ta doskonale zdaje egzamin w warunkach laboratoryjnych, jednak w warunkach przemysłowych stosowanie jej w wielu przypadkach jest nierealne.

Ocena zagrożeń wywołanych elektrycznością statyczną:

Zagrożenia związane z występowaniem elektryczności statycznej mogą być oceniane m.in. na podstawie pomiarów elektrostatycznych. W przypadku zagrożeń zakłóceniami procesów technologicznych i pracy urządzeń określenie dopuszczalnych poziomów elektryzacji najczęściej musi być dokonywane indywidualnie, natomiast dopuszczalne poziomy elektryzacji związane z zagrożeniami pożarowo-wybuchowymi i zagrożeniami zdrowia ludzi zostały podane w odpowiednich normach i dokumentach.

Pole elektrostatyczne i człowiek:

Parametry elektryczne człowieka (znaczna przewodność elektryczna, np. 0,1 S/m, i znaczna przenikalność elektryczna) powodują, że wnikanie pola elektrostatycznego w głąb ciała ludzkiego jest praktycznie niemożliwe. Z tego względu należy rozważać dwa możliwe sposoby oddziaływania pola elektrostatycznego na człowieka:

– powstawanie wyładowań elektrycznych z lub do człowieka jako kondensatora,
– przepływ prądu przez człowieka w wyniku jego ruchu w polu elektrostatycznym.

Aspektem dodatkowym jest wpływ zmian w koncentracji jonów w powietrzu pod wpływem pola elektrostatycznego.

Ze względu na znaczną przewodność elektryczną człowieka można traktować jego ciało jako kondensator elektryczny. Typowa pojemność C człowieka (stojącego w butach) względem ziemi wynosi 100-200 pF. W wyniku procesu tarcia lub zjawiska indukcji możliwe jest uzyskiwanie przez człowieka znacznych potencjałów. W tej sytuacji zbliżenie ręki np. do uziemionej części metalowej urządzenia spowoduje przeskok iskry. Wyzwoloną energię można oszacować ze wzoru:

W = 0,5 C (U12 – U22)

gdzie:
U1, U2 – potencjał człowieka przed wyładowaniem i po wyładowaniu.

Wyzwolona w procesie takiego wyładowania energia może nie tylko powodować nieprzyjemne doznania (próg odczuwania), ale może również wywoływać silne wstrząsy grożące wypadkiem. Jednocześnie wartość tej energii jest na tyle duża, że może być przyczyną zapłonu gazów, par i pyłów.

Rozporządzenie MPiPS określa dopuszczalne wartości natężeń pól elektrostatycznych. Zgodnie z tym rozporządzeniem dla zakresu częstotliwości 0-0,5 Hz określono następujące wartości:

E0 – górną granicę strefy bezpiecznej – 10 000 V/m,
E1 – górną granicę strefy pośredniej – 20 000 V/m,
E2 – górną granicę strefy zagrożenia, początek strefy niebezpiecznej – 40 000 V/m,
Ddc(f ) – dozę dopuszczalną wynoszącą 3200 (kV/m)2 h.

Konsekwencją wprowadzenia NDN (najwyższych dopuszczalnych natężeń) dla pól elektrostatycznych jest konieczność dokonywania zarówno okresowych pomiarów na stanowiskach pracy, jak i oceny poziomu narażenia pracowników, a także w razie konieczności określenia stref, w których pracownicy mogą przebywać.

Zagrożenia pożarowo-wybuchowe:

W normie PN-92/E-05201 określono kryteria zagrożenia pożarowego i/lub wybuchowego wywołanego elektryzacją materiałów o płaskiej powierzchni. Do oceny zagrożenia wykorzystuje się takie parametry, jak gęstość powierzchniowa ładunku s, potencjał powierzchniowy Vp oraz natężenie pola elektrostatycznego E.
Zgodnie z podaną normą stan zagrożenia nie występuje, gdy gęstość s Ł 2,7•10-6 C/m2, potencjał Vp Ł 103 V, a natężenie pola E Ł 105 V/m przy minimalnej energii zapłonu Wz min Ł 10-4 J lub E Ł 3•105 V/m przy energii 10-4 J Ł Wz min Ł 5•10-1 J.

W normie określono również dopuszczalny czas relaksacji ładunku elektrostatycznego. Zagrożenie nie występuje, gdy t Ł 10-3 s.

W normie podano także kryteria oceny zagrożenia w przypadku elektryzacji materiałów sypkich i aerozoli.

W strefach zagrożenia wybuchem istotnym elementem bezpieczeństwa jest posadzka, która ma umożliwiać spływ ładunków z ludzi, wózków transportowych itp., a przy tym ona sama nie powinna się elektryzować. W normie PN-92/E-05203 sprecyzowano wymagania dotyczące rezystancji (oporu) upływu Ru, która powinna być mniejsza niż 106 W. W normie PN-94/E-05204 określono wymagania i środki zabezpieczenia przed elektrycznością statyczną w przestrzeniach zagrożonych wybuchem i niezagrożonych wybuchem.

Do typowych miejsc, w których należy prowadzić analizę zagrożeń od elektryczności statycznej, zalicza się linie wytwarzania i przewijania folii i włókien o dużej rezystywności, linie lakiernicze proszkowe i ciekłe, sale operacyjne i zabiegowe w szpitalach, linie drukarskie, urządzenia do konfekcjonowania materiałów sproszkowanych itp.

Środki ochrony antyelektrostatycznej i ich kontrola:

Ochrona przed elektrycznością statyczną jest realizowana za pomocą takich zabiegów technicznych jak:

– zwiększanie przewodności materiałów o dużej rezystywności (antystatyzacja)
– uziemianie
– ekranowanie
– zwiększanie lokalne pojemności
– stosowanie neutralizatorów ładunków elektrostatycznych
– ograniczanie prędkości procesów technologicznych
– zwiększanie wilgotności otaczającego środowiska

W zależności od funkcji, jaką pełnią zastosowane środki i od ich poprawnego działania może zależeć bezpieczeństwo procesu, obsługi, komfort pracy itp. Istnieje więc potrzeba okresowego kontrolowania skuteczności działania zastosowanych rozwiązań, zwłaszcza w porach suchych (zima, lato).

Ocena wyników badań i pomiarów elektrostatycznych:

Pomiary elektrostatyczne ze względu na swoją specyfikę muszą być w odpowiedni sposób interpretowane tak, by można było na ich podstawie ocenić rzeczywisty poziom zagrożenia i problemów związanych z nadmierną kumulacją ładunków. Proste odczytywanie wskazań mierników bez uwzględnienia geometrii układu miernik-naelektryzowany obiekt oraz lokalnych specyficznych niejednokrotnie warunków może prowadzić do grubych pomyłek i nieporozumień. Konieczne jest zawsze dokładne zrozumienie koncepcji pomiaru; dotyczy to zwłaszcza zasady działania mierników pola elektrostatycznego. Aby uniknąć typowych błędów przy pomiarach elektrostatycznych, należy przestrzegać następujące zalecenia:
– przy pomiarze natężenia pola elektrostatycznego należy pamiętać, że samo zbliżenie miernika do naelektryzowanego obiektu deformuje rozkład pola wytwarzanego przez ten obiekt,
– miejsce pomiaru natężenia pola elektrostatycznego nie może być wybierane przypadkowo, a przy jego wyborze należy uwzględnić geometrię sąsiadujących
z badanym obiektem innych elementów, zwłaszcza metalowych,
– podczas pomiarów należy koniecznie rejestrować temperaturę i wilgotność otaczającego powietrza, gdyż ich wpływ na większość procesów elektryzacji jest ogromny, a czas wykonania pomiaru tak zaplanować, aby warunki te sprzyjały zwiększonej elektryzacji,
– podczas pomiarów potencjału woltomierzem elektrostatycznym należy uwzględniać pojemność wejściową woltomierza (błędem jest odczytywanie wskazań kilowoltomierza jako rzeczywistego napięcia na obiekcie),
– podczas pomiarów rezystancji upływu posadzki istotny jest właściwy dobór wartości napięcia pomiarowego, np. zbyt niskie napięcie pomiarowe może spowodować, że zmierzona wartość rezystancji upływu okaże się zbyt duża, choć w rzeczywistości posadzka właściwie odprowadza ładunek elektrostatyczny.

Podsumowanie:

W otaczającym nas środowisku ładunki elektrostatyczne (ładunki elektryczne o ograniczonej zdolności do przemieszczania się) mogą występować i występują, wpływając bezpośrednio na nasze bezpieczeństwo, zdrowie, a także mogą być przyczyną znacznych strat materialnych. Dostępne dokumenty normalizacyjne, przepisy i publikacje dają wytyczne, jak zwalczać zagrożenia wynikające z istnienia ładunków elektrostatycznych i w jaki sposób można określić poziom tych zagrożeń. Zdajemy sobie doskonale sprawę, że wprowadzenie w codzienne życie opisanych zaleceń będzie trudne a wręcz nierealne. Dlatego, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzeń sprzętu elektronicznego w szczególności komputerowego zjawiskiem, jakim jest elektryczność statyczna proponujemy przed dotknięciem jakiegokolwiek urządzenia elektronicznego w szczególności tych podpiętych do sieci komputerowej, elektrycznej itd. odprowadzenie ładunku. Prostą metodą jest dotknięcie palcem do uziemionego elementu np.: futryna (o ile jest stalowa) lodówka, pralka, kaloryfer itp. Uwaga !!! Pamiętajmy jednak aby dotknąć jedynie palcem do jednego z opisanych urządzeń, a nie pomiędzy np. komputerem a kaloryferem. W Polsce w dalszym ciągu można spotkać źle wykonane instalacje elektryczne w przypadku takiej instalacji zamknięcie obwodu elektrycznego przykładowo: „komputer człowiek kaloryfer” mogłoby się skończyć niebezpieczne. Pamiętajmy więc odprowadzenie ładunku tylko jednym palcem, dotykając do uziemionego urządzenia.