Статическое электричество на производстве: Средства и правила защиты от статического электричества

Защита от статического электричества на современном предприятии – статья для склада и производства

 
Складское оборудование

17.01.2018

Хотите иметь современную защиту от статического электричества на своем производстве? Читайте нашу статью об организации защиты (ESD Protected Area) на производстве.  

Электростатический разряд ESD

Статическое электричество проявляет себя при любом движении человека. При этом статический заряд при касании рукой проводящего материала очень быстро «стекает с тела». Это так называемый  ESD (Electro Static Discharge) — электростатический разряд. 

Статическое электричество создает множество проблем в электронной промышленности. Обычно действие статического электричества оказывается незаметным, т.к. что наше тело не чувствуют разрядов до 3000 вольт. 

Эти разряды в форме искры проявляются лишь при напряжениях свыше 5000 В.

В электронной промышленности наиболее чувствительные компоненты могут выходить из строя уже при напряжении 30 В, тогда как большинство стандартных компонентов чувствительны к разрядам с напряжением 100 … 200 В. Наличие статических разрядов не всегда легко обнаружить. 

Статические разряды на рабочем месте

Выход продукции из строя не всегда можно предотвратить в процессе производства, что приводит к неисправностям на более поздних сроках. Сразу после определения потенциальной опасности статических разрядов на каждом рабочем месте могут быть предприняты эффективные способы защиты, предотвращающие выход компонентов из строя. 

ЕРА (ESD Protected Area)

При изготовлении современных электронных компонентов необходимо обеспечивать всестороннюю защиту от электростатических разрядов. В защищенной от электростатических разрядов зоне – ЕРА (ESD Protected Area) — для этого всегда необходимо применять антистатические материалы и оборудование, причем защита должна распространяться от начального этапа производства до окончательной проверки годности и упаковки компонентов.

Контроль статических разрядов

Систематический подход к проблеме контроля статических разрядов в рабочей области должен включать в себя следующее: 

• Организация антистатических рабочих мест, транспорта, складских систем хранения
• Организация антистатического рабочего инструментального хозяйства
• Наличие антистатической промышленной мебели, рабочей одежды, обуви, браслетов
• Обучение персонала и контроль качества производства по номам ESD
• Поддержание чистоты в помещении, поскольку пыль обладает свойствами диэлектрика
• Аудиты для обеспечения непрерывной защиты от статического электричества

Хотите организовать эффективную защиту рабочих мест от статического электричества? Обращайтесь в КИИТ! Опытные специалисты АО «Компания инноваций и технологий» помогут Вам в организации и модернизации производства в соответствии с современными нормами защищенных от электростатических разрядов зон ЕРА (ESD Protected Area).

  

Похожие статьи

Антистатические системы хранения мелких деталей
Как выбрать рабочий стул для производства?
Эргономика рабочих мест на производстве
Эргономичные регулируемые стулья для производства
3D онлайн конфигуратор рабочего места

Возврат к списку статей

Как снять статическое электричество? Методы от «Юман» как снять статику на производстве

Скачать статью

Возникновение напряжения в десятки и сотни киловольт неизбежно на любом производстве, связанном с рулонными материалами. Намотка или размотка бумаги, фольги, плёнки, текстильной ткани с высокой скоростью влечёт за собой накапливание свободного электрического заряда, являющегося угрозой и для работников, и для оборудования — электростатика может серьёзно повредить обрабатываемый материал, спровоцировать опасные ситуации и даже стать причиной серьёзного пожара.

Основные причины возникновения статического электричества на производстве: 

• Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр. ).
• Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
• Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи и иные электрические поля (нетипичные для промышленных производств).
• Резка рулонного материала (например, на бобинорезательных машинах)
• Влияние электрического поля.

Нейтрализация статического электричества — одна из первоочередных производственных задач, от решения которой зависит как безопасность на предприятии, так и весь промышленный процесс.

Компания «Юман» представляет несколько вариантов ответов на вопрос «как устранить статику»: 

Активные методы нейтрализации статики:

Разряжающие электроды (планки), блоки питания, системы BASIX, SDS, RX3 IONSTAR, STATICJET RX21, ионизирующие пистолеты, сопла, головки, устройства для взрывоопасных зон — комплексные решения от немецкой компании Eltex Elektrostatik GmbH для превосходной нейтрализации электростатического заряда.

Пассивные методы нейтрализации статики:

Антистатические шнур и щётки — простое и экономичное решения для снятия статики.

ООО «Юман» является поставщиком антистатического оборудования и других аксессуаров

, снимающих электростатическое напряжение при работе с рулонными материалами и предохраняющих работников от вредного влияния электростатики.

Электропроводящие полиуретановые валы — новый способ борьбы со статическим электричеством на производстве

Сам по себе полиуретан – диэлектрический материал, неспособный проводить электричество, что иногда ограничивает его применение. Технологи «Уником-Сервис» предложили ввести в полиуретановые материалы концентрат на основе одностенных углеродных нанотрубок. Хорошо диспергированные графеновые нанотрубки образуют в матрице полиуретана трехмерную электропроводящую сеть, что делает материал электропроводящим.

В отличие от обычных аддитивов (таких как многостенные углеродные нанотрубки, углеродные волокна или технического углерод), графеновые нанотрубки не оказывают отрицательное действие на физико-механические показатели полиуретана. Таким образом, электропроводящий полиуретан:

• не меняет твёрдость
• не теряет прочностные характеристики
• сохраняет электропроводность независимо от рабочей температуры
• сохраняет стабильные физико-механические характеристики после износа, отсутствует миграция добавки

Возникновению статического электричества наиболее подвержены производственные линии с большим количеством валов и движущихся частей.

Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания, резки или перемещения полиэтиленовых (полимерных) материалов. Это приводит к возникновению серьезных трудностей:

• Осложнения технологического процесса: слипание/отталкивание пленки, прилипание к оборудованию, неправильное наматывание, притяжение пыли, плохое качество печати.
• Риск возникновения пожара. Особенно опасно искрообразование на предприятиях, использующих легковоспламеняющиеся жидкости.
• Поражение электрическим током персонала, работающего с наэлектризованным оборудованием.

Чтобы избежать этих проблем, производители пленок вынуждены использовать дополнительные элементы: ионизирующие лампы и антистатические щетки. Но такие элементы усложняют конструкцию, требуют расходов на их приобретение и техническое обслуживание.

Также для съема статического электричества на оборудовании используются алюминиевые валы. Такие валы дорогие и быстро изнашиваются. Их частая замена приводит к дополнительным затратам и простоям оборудования. Обычные полиуретановые валы служат в разы дольше, но статику не снимают.

Полиуретановые валы с электропроводящим покрытием решают сразу две проблемы: они не накапливают статическое электричество и служат в несколько раз дольше алюминиевых. Главное, чтобы электропроводящий вал был заземлен.

В большинстве случаев стоимость таких валов не отличается от стандартных, поэтому такой шаг не влечет дополнительных расходов. Переход на электропроводящие валы будет незаметен для производственного процесса, так как осуществляется во время очередной замены изношенного вала.

Электропроводящие полиуретаны – эффективное средство защиты от статического электричества. Покрытие валов из этого материала позволяет отказаться от дополнительных элементов в конструкции оборудования, а износостойкие свойства полиуретана увеличивают межремонтный интервал агрегатов.

Оптимальная организация рабочего места. Статическое электричество: проблемы и пути их решения — Компоненты и технологии

Еще каких-нибудь 5–10 лет назад многие наши предприятия, занимающиеся производством микроэлектроники, и помыслить себе не могли, что им придется столкнуться с проблемой статического электричества в том аспекте, в котором она существует сейчас. Конечно, проблема эта существовала с момента появления электронной промышленности, но если в других промышленно развитых странах еще 25 лет назад производители электроники, столкнувшись с ней, начали искать пути решения, то в России должного внимания этому не уделялось. Только в последнее время при выполнении монтажных работ в электронике, особенно в микроэлектронике, антистатическим качествам оборудования, инструментов и одежды стали придавать большое значение.

Суть проблемы заключается в том, что если недооценить силу воздействия статического электричества, оно может нанести большой ущерб чувствительным компонентам. Введя минимальный набор мер по защите от статического электричества, производитель может значительно улучшить качество произведенной продукции, что в конечном итоге снизит издержки производства и повысит его репутацию. В настоящее время невозможно игнорировать средства антистатической защиты на электронном производстве в силу уязвимости микросхем к повреждению их статическим электричеством.

Несмотря на то что электростатический заряд не несет большого количества энергии, высокая разность потенциалов способствует образованию токов, достаточных как для мгновенного выхода из строя чувствительных электронных компонентов, так и для внутримолекулярного повреждения их кристаллической решетки, что, в свою очередь, ведет к изменению их свойств и параметров микросхем. Это может стать причиной сокращения срока эксплуатации последних.

Для большей части изделий микроэлектроники статический заряд в 5000–10 000 В является губительным. Монтажник, если в его одежде присутствуют синтетические и шерстяные ткани, создает электрический заряд порядка 1000–5000 В. Потрескивание и искрение одежды характеризует статический разряд более 5000 В. Обувь, имеющая резиновую подошву, является хорошим диэлектриком, и это способствует накоплению на теле человека высокого — до 35 000 В — электростатического потенциала.

При выполнении целого ряда операций возникает необходимость «заземлить» работника, снять с него статическое электричество без вреда для его здоровья, так как прямое заземление при пробое напряжения (например, в случае неисправной проводки) может привести к поражению электрическим током.

Эта задача осуществляется с помощью токопроводящих материалов с сопротивлением не менее 1 МОм/м. По международной номенклатуре, материалы, имеющие подобные свойства, маркируются значком «кисть руки в черном треугольнике на желтом поле» и/или буквами «ESD» (Electrostatic Discharge).

Антистатическими свойствами должны обладать паяльные станции, монтажные инструменты, приборы, материалы, мебель и системы для хранения компонентов, тележки для транспортировки продукции, спецодежда, обувь и др.

Самым простым решением антистатического исполнения рабочего пространства является оборудование его специальным антистатическим ковриком из токопроводящего материала размером примерно 600ґ1000 или 500ґ900 мм. Коврик заземляется через проводник сопротивлением не менее 1 МОм/м. На руку работнику надевается металлический или эластичный браслет, соединенный с ковриком или с коробкой заземления спиральным проводом (для удобства и свободы манипуляций) сопротивлением не менее 1 МОм.

Спецодежда с ESD-маркировкой для работы в зоне антистатической защиты выполняется из ткани, содержащей 96 % хлопка и 4 % проводящего волокна, обеспечивающего сопротивление около 3 МОм/м. Число ее стирок без нарушения антистатических свойств — не менее 50. Обувь должна быть на основе натуральной кожи с сопротивлением не более 3,5 МОм. При отсутствии специальной обуви используются заземляющие ремешки для обеспечения «стекания» заряда с лодыжечной части ноги человека на покрытие пола, также может использоваться антистатический стул, ножной браслет и антистатический напольный коврик.

Самым высоким требованиям антистатического обеспечения отвечают следующие условия: рабочее место оборудуется мебелью антистатического исполнения, пол покрывается антистатическим линолеумом, а работнику выдаются антистатические перчатки, одежда и обувь. Все антистатические материалы должны отвечать требованиям DIN EN 100 015 и EC (6)1340-5-1/5-2 106-107. Немаловажную роль в процессе производства имеет конечная упаковка продукции. Несоблюдение норм и требований по антистатическому хранению компонентов, плат и других изделий может «перечеркнуть» труд всего коллектива. Одним из способов решения этой задачи является использование пакетиков и коробок из антистатического материала.

Пакетики, разнообразные по размерам, изготавливаются из полимерного материала, обладающего антистатическими свойствами. Они могут быть прозрачными, черными и металлизированными. С целью предохранения чувствительных изделий от любых механических воздействий выпускаются «пузырчатые» пакетики.

На определенном этапе производства возникает вопрос складирования комплектующих элементов, инструментов, готовой продукции. Эта проблема решается с помощью разнообразных систем хранения, сделанных из металла, прозрачного или цветного небьющегося пластика, при необходимости выполненных в антистатическом исполнении.Наиболее простые элементы системы хранения — это лотки, ячейки и ящики. Они имеют различную форму, габариты и цвет, что значительно облегчает не только складирование, но и сортировку.Ячейки или лотки, собранные в небольшие металлические шкафчики, традиционно называются «кассетницами» или «кассами».

В «кассетницах» могут быть укомплектованы как одинаковые, так и различные ячейки. Сами же «кассетницы» могут быть установлены на горизонтальной поверхности или закреплены на стене. Для удобства размещения большого количества могут быть использованы поворотные стойки, на которых одновременно устанавливаются от 2 до 12 «кассетниц». Более крупные ящики и лотки устанавливают в стеллажах. Односекционный стел- лаж имеет высоту 2000 мм, длину 1000 мм и ширину (глубину) 400, 500 или 600 мм с соответствующей нагрузкой на полку 150, 180 и 200 кг. При необходимости типовое (6 шт.) количество полок может быть увеличено.

Стеллаж-приставка шириной 1000 мм позволяет создать комбинированную систему стеллажей практически неограниченной длины.

В некоторых случаях стеллаж оборудуется задней и боковыми стенками, а также двустворчатыми дверцами с замком.

Таким образом, любому производителю электроники рано или поздно придется столкнуться с проблемой статического электричества. Чем более подготовленным он будет, чем лучше он будет «вооружен» средствами антистатической защиты, тем меньше будет сказываться это влияние на качестве продукции. В любом случае, при желании выпускать продукцию мирового качества, требования по защите от статического электричества в процессе производства должны соблюдаться неукоснительно. Более подробную информацию по этим вопросам можно найти на сайте фирмы «Клевер Электроникс» — http://www.clever.ru.

Электричество статическое — Справочник химика 21

    Защита от статического электричества. Статическое электричество образуется при трении диэлектриков друг о друга или о металлы при этом на диэлектриках накапливаются и могут длительное время удерживаться электрические заряды, т. е. происходит электризация веществ. [c.110]

    При производстве пресспорошков получается пыль смол, древесной муки и готового продукта, которая в смеси с воздухом образует взрывчатые смеси. Взрывы й пожары инициируются открытым огнем или искрой. Загорание пыли может произойти и от перегрева растираемого материала при его попадании между движущимися деталями машин. Для предупреждения пожаров и взрывов в цехе необходимо соблюдение следующих основных правил не курить в неположенных местах и не пользоваться открытым огнем при ремонтах использовать для освещения лампы во взрывобезопасном исполнении сварочные работы производить с соблюдением установленных правил и с ведома пожарной охраны ремонтный инструмент для чистки валков и емкостей (молотки, зубила) должен быть изготовлен из неискрящего материала— цветного металла или дерева. Электродвигатели устанавливать только во взрывобезопасном исполнении следить за исправностью электросетей. Не допускать образования статического электричества. Статическое электричество образуется при трении ма-териалов-диэлектриков, к которым относятся смола, пресспорошок, ремни. Чрезмерное накопление статического электричества вызывает разряд его с образованием электрических искр. Для уменьшения опасности статического электричества всю аппаратуру, коммуникации и трубопроводы следует заземлять. [c.222]

    В конструкции системы должны быть учтены многие факторы. Одним из них является статическое электричество. Статический разряд генерируется при транспортировке частиц в трубопроводах, при этом возникает опасность взрыва горючей пыли. Эти явления наиболее серьезны при использовании сухого газа и частиц низкой электрической проводимости. Для сведения к минимуму этих эффектов необходимо надежное заземление. [c. 350]

    Не менее опасны и невидимые глазом искры, возникаюш,ие от электричества (статического электричества). Например, взрыв, может произойти от искры, которая возникает при расчесывании волос.- [c.319]

    При эксплуатации, ремонте и монтаже трубопроводов следует не забывать о способности нефтепродуктов накапливать при определенных условиях заряды статического электричества. Статическое электричество образуется в результате трения двух диэлектриков друг о друга или диэлектриков о металлы. При этом на поверхности трущихся веществ могут накапливаться электрические заряды. Такие нефтепродукты, как бензин, лигроин, бензол, керосин и другие, обладают способностью накапливать заряды статического электричества. Опасность образования зарядов статического электричества особенно велика при перекачке нефтепродуктов по трубопроводам со скоростью, превышающей 0,7—1,0 м1сек. Электрические заряды возникают как в самом нефтепродукте, так и на стенках трубопроводов или аппаратов, в которых они находятся. Величина возгмож-ного при этих условиях электрического заряда может быть достаточной для образования электрического разряда, способного вызвать воспламенение и взрыв нефтяных паров и газа. Поэтому каждую систему трубопроводов надежно заземляют для отвода статического электричества. На фланцевых соединениях устанавливают скобы из листовой стали, а иногда медные перемычки. Концы скоб с отверстиями ставят под болты фланцевого соединения. Для обеспечения надежности электрического контакта поверхность фланцев и скоб в местах соприкосновения тщательно зачищают до металлического блеска. [c.138]

---

Опасность статического электричества для электроники

Статическое электричество, как тип электрической энергии, опасно и для людей, и для электроники. Статическое электричество накапливается на каком-либо изоляторе. Опасность в том, что оно остается даже после того, как отключен источник питания, чего не скажешь про переменные или постоянные токи.

Статическое электричество представляет большую угрозу для микросхем. Электростатический разряд переносит немного энергии, однако большая разность потенциалов и высокая скорость их изменения приводят к образованию токов, которых вполне хватает, чтобы сразу вывести из строя чувствительную электронику или нанести кристаллу изначально незаметные повреждения.

Проблема в том, что найти конкретный элемент с повреждёнными параметрами всегда очень трудно. Но потом он постепенно выйдет из строя. Для некоторых изделий микроэлектроники потенциал в сотни вольт может привести к непоправимым последствиям. А ведь статическое электричество куда больше указанного уровня может вызвать, что угодно. Для этого иногда достаточно пройтись по ковру при определенной влажности воздуха. И все!

Тот пользователь глубоко заблуждается, который считает, что, прикоснувшись к электронной плате, он не вызовет сбой в работе. К сожалению, рука человека может представлять большую опасность для большинства микросхем. Вот почему оснащение электронных производств средствами антистатической защиты – это сегодня уже стандарт, пренебрегать которым авторитетные фирмы не могут.

Со статическим электричеством необходимо бороться не только на стадии производства электронных средств, но и во время их транспортировки, хранения и, конечно, во время эксплуатации. Вот почему современное производство и сервисы обслуживания оборудованы средствами защиты. Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие.

Основными составляющими комплексной антистатической защиты уже давно считаются антистатические браслеты, покрытия, пакеты, контейнеры, наклейки, измерители статического напряжения, ионизаторы.

Отдачу от принятых мер можно ощутить, когда разработана программа защиты, предусматривающая строгое соблюдение правил. Для этого нужно, в частности, хранить и перевозить компоненты электронной техники в закрытых проводящих контейнерах. У персонала должна быть верхняя одежда, рассеивающая статическое электричество. Полы в помещении должны быть заземлены. Столы должны иметь покрытие, заземленное и рассеивающее статическое электричество.

Снижение статического электричества на производстве уретановых каучуков Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Снижение статического электричества на производстве уретановых каучуков Тен Э. В.1, Скворцов А. А.2

]Тен Эдуард Владимирович / Ten Jeduard Vladimirovich — эксперт по промышленной безопасности,

2Скворцов Алексей Анатольевич /Skvorcov Aleksej Anatol’evich — эксперт по промышленной безопасности,

ООО «Югорское отделение экспертизы», г. Нижневартовск

Аннотация: рассматриваются необходимые мероприятия, применяемые для защиты от статического электричества на производстве уретановых каучуков.

Ключевые слова: статическое электричество, уретановый каучук, безопасность.

Производство уретановых каучуков связано с применением токсичных и пожароопасных веществ, материалов, способных подвергаться электризации с образованием опасных потенциалов. Электростатические заряды появляются и накапливаются на оборудовании и обрабатываемых материалах и могут угрожать безопасности работающих. При использовании в технологических циклах горючих жидкостей, легковоспламеняющихся газов, горючей пыли — статические заряды могут стать причиной пожара и взрыва. Уретановые каучуки обладают хорошими механическими свойствами, но являются плохими проводниками электричества и поэтому склонны к электризации.

Наиболее опасным при производстве уретановых полимеров является использование толуилендиизоционата, он в свою очередь относится к первому классу опасности [1]. Наиболее опасной операцией является разгрузка реактора после окончания синтеза (операцию необходимо проводить в специально предназначенном противогазе). Также основными опасностями в производстве уретановых полимеров являются:

— возможность получения термического ожога при сливе полимера в бочки;

— наличие вращающихся частей оборудования;

— возможность поражения электрическим током;

— образование зарядов статического электричества.

Необходимо отметить, что под электростатической искро6езопасностью на производстве уретановых каучуков подразумевается состояние, при котором исключается возможность взрыва или пожара от статического электричества. Следовательно, безопасная энергия искры (в Дж) определяется по формуле:

Ww=KWmin (1)

где K — коэффициент безопасности, применяемый равным 0,4-0,5;

Wmin — минимальная энергия, которая может вызвать воспламенение рассматриваемой горючей смеси.

За предельно допустимое значение заряда принимается такое его значение, при котором максимально возможная энергия разряда Wи с поверхности данного вещества не превосходит 0,4 -0,5 минимальной энергии воспламенения окружающей среды Wmin.

Энергию разряда (искры) диэлектрика (в Дж) можно в этом случае определить по формуле:

W=0,5*C*V2 (2)

где С — электрическая емкость, разряжаемая искрой, Ф;

V — разностьпотенциалов относительно земли, В.

Минимальную энергию воспламенения газо — и паровоздушных смесей составляют доли миллиджоуля.

Поэтому в производстве уретановых каучуков основными техническими мероприятиями по защите от статического электричества и вторичных проявлений молний являются:

1. Заземление всего оборудования и коммуникаций.

2. Применение заземленных рукавов высокого давления с медными наконечниками, обвитых медной проволокой диаметром не менее 2 мм и шагом витка не более 100 мм.

Проводятся мероприятия, снижающие электростатические потенциалы до безопасных величин, при которых возникновение опасного искрения невозможно. Это достигается применением различного рода нейтрализаторов [2]. Средства защиты от статического электричества — заземление трубопроводов R= 100 Ом. В цехе используются настилы из резины с пониженным сопротивлением. На подъемах к реактору заземлены поручни, помосты площадки. Защита людей от статического электричества достигается обеспечением средствами индивидуальной защиты, включающие: — х/б костюм, брюки, электростатические халаты и специальная обувь, подошва которой выполнена из кожи, либо электропроводной резины, а также антистатические браслеты, в соответствии с действующими стандартами.

Следует отметить, что когда заземление оборудования не предотвращает накопление опасных количеств статического электричества, применяют меры по уменьшению удельного объема или поверхностного электрического сопротивления используемых материалов. Использование антиэлектростатических веществ позволяет снизить удельное объемное электрическое сопротивление материалов. Таким образом, выполняются необходимые мероприятия, применяемые для защиты от статического электричества на производстве уретановых каучуков.

Литература

1. Попов Б. Г., Веревкин Б. Н. Статическое электричество в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. М.: Химия, 1977 — 238 с.

2. ГОСТ Р 52274-2004. Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2005 — 15 с.

Почему статика является проблемой для производителей и как ее исправить?

Статическое электричество — распространенная проблема, с которой сталкиваются различные отрасли промышленности и производители по всему миру. Любой человек, будь то упаковочные предприятия, предприятия по розливу и производители пластика, должны контролировать и снижать статическое электричество. По мере того, как эти отрасли продолжают увеличивать скорость своих линий и переходить на все большее количество синтетических материалов, все для увеличения производства и снижения затрат, эффекты статического электричества значительно усиливаются.Это приводит к ряду проблем с качеством, производительностью и безопасностью, начиная от загрязнения пылью и заканчивая потенциальной опасностью пожара.

Что вызывает статическое электричество?

Статическое электричество возникает, когда два материала трутся друг о друга. Как правило, поверхность каждого материала содержит комбинацию протонов и электронов, эти заряды (протоны и электроны) уравновешены, создавая общий нейтральный заряд для объекта. Однако, когда два объекта трутся друг о друга, заряды разделяются, поэтому электрон или протон будут перемещаться от одного объекта к другому.Таким образом, один объект становится либо положительно, либо отрицательно заряженным, а другой — противоположным. Эти объекты будут оставаться в этом неуравновешенном состоянии до тех пор, пока что-то не вернет материал в нейтральное состояние.

Когда объекты остаются неуравновешенными, они приобретают соответствующие им свойства, они будут притягивать (или отталкивать) другие объекты. Это может вызвать искрение объектов при разделении или налипание на другие объекты. Как вы понимаете, это может вызвать серьезные проблемы на производстве, когда продукция проходит различные стадии от сборки до упаковки.

Погода серьезно влияет на статическое электричество. Чем суше становится воздух, тем больше накапливается статическое электричество, поэтому мы обычно испытываем удары и статические волосы в зимние месяцы. Это верно и для производства. Компаниям важно эффективно контролировать атмосферу на своих производственных объектах.

Почему это проблема?

Это огромная проблема для производственных предприятий. Производственные предприятия постоянно сталкиваются с необходимостью одновременного увеличения производительности и снижения затрат на материалы.Хотя это является преимуществом для бизнеса, он становится идеальной средой для увеличения статического электричества. Все больше синтетических материалов и пластмасс, которые хорошо удерживают и проводят заряды, помещается на производственные линии, которые движутся все быстрее и быстрее. Это создает дополнительные проблемы на более поздних этапах производственного процесса. Все, что угодно, от попадания загрязняющих веществ в продукты питания, ухудшения качества этикеток и отсутствия прилипания чернил к продуктам. Когда это происходит, это создает для компании ряд узких мест и проблем с качеством.

Есть решение?

Да, есть. Чтобы сохранить скорость линий и затраты на материалы, компании хотели найти способ устранить или предотвратить причину возникновения статического электричества. Таким образом, был разработан ионизирующий стержень. Ионизирующая планка возвращает частицы дисбаланса на объекте в нейтральное состояние. Однако одного ионизирующего стержня недостаточно. Для того, чтобы успешно устранить статический заряд, необходимо транспортное средство, доставляющее ионный заряд к объекту.Воздушные ножи — наиболее эффективный способ равномерно распределить ионизацию по объекту.

Ионизация распространяется по воздуху, создаваемому воздушным ножом, а затем притягивается к неуравновешенному объекту (положительно или отрицательно заряженному). Это притяжение позволяет объекту вернуться к правильному количеству электронов или протонов, которое необходимо для сохранения в сбалансированном состоянии.

Многие компании инвестируют в ионизирующие воздушные ножи, чтобы эффективно нейтрализовать свою продукцию перед тем, как она попадет в упаковку, маркировку, розлив и т. Д.этап продукта. Ионизирующие воздушные ножи нейтрализуют заряд, помогая удалять частицы пыли и обеспечивая чистую нейтральную поверхность для прикрепления продукта, этикетки, чернил и т. Д.

Ниже приведена диаграмма, показывающая относительный положительный или отрицательный заряд, связанный с определенными материалами.

Изображение через: https://www.simco-ion.com/Portals/0/Documents/simco-industrial-catalog-2016v8.pdf

Наука о статике: насколько хорошо разные материалы создают статическое электричество?

Bring Science Home

Упражнение с электрическим зарядом от Science Buddies

Реклама

Ключевые концепции
Электричество
Материалы
Электропроводность
Электроны

Введение
Вы когда-нибудь замечали, что некоторые типы одежды более подвержены статическому электричеству, чем другие? Например, шерстяной свитер может сильно прилипать к статическому электричеству, но одежда из хлопка прилипает не так сильно.Насколько хорошо другие материалы в доме производят статическое электричество? В этом научном занятии вы исследуете это, сделав простой самодельный электроскоп (прибор, обнаруживающий электрические заряды) и проверив его. Результаты могут вас шокировать!

Фон
Статическое электричество — это накопление электрического заряда на объекте. Этот заряд может внезапно разрядиться (например, когда в небе сверкает молния) или он может привести к притяжению двух объектов друг к другу.Сцепляющиеся друг с другом носки, только что вынутые из сушилки, являются хорошим примером этого влечения. В частности, статическое прилипание — это притяжение между двумя объектами с противоположными электрическими зарядами, одним положительным и одним отрицательным.

Статическое электричество может быть создано путем трения одного предмета о другой предмет. Это происходит потому, что трение высвобождает отрицательные заряды, называемые электронами, которые могут накапливаться на одном объекте, создавая статический заряд. Например, когда вы шаркаете ногами по ковру, электроны могут переходить на вас, создавая статический заряд на вашей коже.Вы можете внезапно разрядить статический заряд в виде электрического разряда, когда прикоснетесь к другу или каким-либо предметам.

В то время как объекты с противоположным зарядом притягиваются друг к другу (например, липкие свежевысушенные носки), объекты с одинаковым зарядом отталкиваются. Этот принцип используется при создании электроскопа, который представляет собой научный инструмент, обнаруживающий электрические заряды.

Материалы

• Стакан из пенополистирола
• Острый карандаш или шпажка
• Пластиковая трубочка для питья
• Алюминиевый противень
• Лента
• Глина (по желанию)
• Ножницы
• Резьба
• Алюминиевая фольга
• Пластина из пенополистирола (В качестве альтернативы подойдет и крышка из пенополистирола от контейнера для еды на вынос.)
• Воздушный шар
• Стол или стол из неметалла (Подойдет, например, деревянный, пластиковый или стеклянный стол или стол).
• По крайней мере, один материал для тестирования (он должен быть не больше пластины или его можно сложить, чтобы он мог лежать ровно. Некоторые из различных материалов, которые вы можете проверить, включают полиэстер, нейлон, хлопок, шерсть, шелк, алюминий, полиэтиленовая пленка, медь, дерево и папиросная бумага.)

Препарат

• Чтобы сделать самодельный электроскоп, сначала проделайте два отверстия возле дна чашки из пенополистирола (на противоположных сторонах чашки), например, протолкнув чашку острым карандашом или шпажкой.(Всегда проявляйте осторожность и помощь взрослых при манипуляциях с острыми предметами.) Протолкните пластиковую соломинку через оба отверстия.
• Затем используйте скотч или четыре маленьких глиняных шарика, чтобы прикрепить отверстие чашки к алюминиевой сковороде (перевернув чашку вверх дном). Если вы используете глину, приклейте четыре маленьких глиняных шарика (каждый примерно полдюйма в диаметре) к краю чашки, затем переверните чашку вверх дном и прикрепите ее к алюминиевой сковороде. Отрегулируйте положение соломинки так, чтобы один конец соломинки находился прямо над краем поддона.
• Отрежьте кусок нити длиной примерно в два или три раза больше, чем расстояние между соломкой и краем сковороды. Завяжите на одном конце нити несколько узлов.
• Вырежьте квадрат толщиной один дюйм из алюминиевой фольги. Используйте его, чтобы сделать клубок вокруг узлов на нити. Мяч должен быть размером с шарик или меньше и быть достаточно плотным, чтобы он не упал с нити.
• Прикрепите нить к кончику соломинки так, чтобы клубок фольги свешивался прямо с соломки, едва касаясь края кастрюли. Как вы думаете, почему важно, чтобы мяч касался сковороды? При необходимости отрегулируйте положение соломинки. (Если конец нити без шарика свисает вниз и касается сковороды, обрежьте его так, чтобы он не касался сковороды.)
• Ваш самодельный электроскоп готов к тестированию! При работе с электричеством соблюдайте меры предосторожности и остерегайтесь поражения электрическим током.

Процедура

• Чтобы проверить свой электроскоп, создайте статическое электричество, потерев надутый воздушный шар о пластину из пенополистирола.Несколько раз протрите пластину из пенополистирола воздушным шариком. Как вы думаете, как это создает статическое электричество?
• Быстро поместите электрически заряженную пластину на стол или стол (не металлический). Затем поместите сделанный вами электроскоп на пластину. Держите электроскоп только за чашку из пенополистирола, а не за алюминиевый поддон, иначе он не сработает! Как вы думаете, почему?
• Вы должны увидеть, как шарик из алюминиевой фольги отодвигается от края сковороды. Как вы думаете, почему мяч так движется? Вы можете объяснить, что происходит?
• Теперь коснитесь мяча пальцем. Что происходит?
• Теперь, когда вы знаете, что ваш электроскоп работает, вы можете использовать его для проверки статического электричества, присутствующего в других материалах. Для этого сначала разрядите электроскоп, коснувшись сковороды пальцем. Затем несколько раз протрите баллончиком материал, который вы хотите протестировать, чтобы зарядить материал. Затем быстро поднимите электроскоп (удерживая его за чашку из пенополистирола) и поместите тестируемый материал на пластину из пенополистирола так, чтобы материал лежал на пластине.Убедитесь, что материал не касается стола. Затем поместите электроскоп на объект. Что происходит с шариком из алюминиевой фольги? Как вы думаете, почему это так?
• Снова коснитесь мяча пальцем. Что происходит на этот раз?
• Основываясь на ваших наблюдениях, мог ли исследуемый вами материал удерживать статический электрический заряд?
• Extra: Используйте самодельный электроскоп, чтобы проверить еще больше материалов. Какие из них могут удерживать статический заряд, а какие нет?
• Дополнительно: Вы также можете использовать свой электроскоп, чтобы исследовать, какие материалы проводят больше всего статического электричества. Это связано с тем, что чем дальше алюминиевый шар отодвигается от алюминиевого поддона, тем больше заряд испытуемого материала. Какие обычные бытовые материалы могут накапливать наибольший электрический заряд; какие из них меньше всего?
• Дополнительно: Некоторые объекты становятся отрицательно заряженными, а другие — положительно заряженными статическим электричеством.Попробуйте найти способ исследовать это. Обнаруживает ли этот вид электроскопа оба типа? Как определить разницу между ними?
• Extra: Статическое электричество плохо, когда оно попадает в вашу одежду! Попробуйте поэкспериментировать, потерев предмет мягким слоем для сушки (например, Bounce) после того, как натерете предмет о воздушный шар. Как работают сушильные листы? Что происходит с показаниями электроскопа после трения заряженным предметом о лист сушилки? Как можно сравнить разные листовые сушильные изделия?

Наблюдения и результаты
Отодвинулся ли алюминиевый шарик электроскопа от посуды, когда вы поместили электроскоп на заряженную пластину из пенополистирола? Другой материал, который вы тестировали, вел себя аналогичным образом или вообще не двигал мячом?

Когда объект, такой как пластина из пенополистирола, становится электрически заряженным, он может быть как положительным, так и отрицательным.(Если у объекта много электронов, он заряжен отрицательно; если у него мало электронов, у него положительный заряд. Будет ли объект приобретать или терять электроны, зависит от типа материала, из которого он сделан.) Когда заряженный объект (например, заряженная пластина из пенополистирола) касается алюминиевого поддона электроскопа, заряд (или электроны) легко перемещается через металлический поддон. Поскольку алюминиевый шар касается сковороды, шар приобретает тот же заряд, что и сковорода — они либо положительные, либо отрицательные.Поскольку объекты с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, мяч отталкивается от посуды. Материалы, которые имеют тенденцию приобретать или терять электроны, включают шерсть, человеческие волосы, сухую кожу, шелк, нейлон, папиросную бумагу, полиэтиленовую пленку и полиэстер — и при тестировании этих материалов вы должны были обнаружить, что они перемещали алюминиевый шар так же, как пластина из пенополистирола. сделал.

Больше для изучения
Что такое статическое электричество ?, из Science Made Simple
Влияние материалов на статическое электричество, из Школы чемпионов Рона Куртуса,
Электроскоп, из PBS Kids
Как разные материалы реагируют на статическое электричество?, Из Science Друзья

ОБ АВТОРЕ (-АХ)

Прочтите следующее

Информационный бюллетень

Станьте умнее.Подпишитесь на нашу новостную е-мэйл рассылку.

Поддержите научную журналистику

Откройте для себя науку, меняющую мир. Изучите наш цифровой архив 1845 года, в котором есть статьи более 150 лауреатов Нобелевской премии.

Подпишитесь сейчас!

Эффекты, теория и контроль статического электричества

Эффекты статического электричества

Статическое электричество уже давно является проблемой для многих промышленных и коммерческих предприятий и представляет серьезную опасность, особенно во взрывоопасных средах и в областях, где присутствуют легковоспламеняющиеся растворители или материалы.

Не только внезапный разряд или искрение статического электричества ответственны за пожары и взрывы, но он также приводит к потерям в миллионы долларов для производителей из-за простоев оборудования и потери человеко-часов, а также потерь продукции, особенно в полупроводниках и электронная промышленность, где компоненты, чувствительные к статическому электричеству, деградируют или разрушаются под действием статического электричества всего несколько вольт. Для пользователей сложной электроники статическое электричество вызывает потерю памяти, ложные срабатывания и т. Д., в оборудование электронной памяти, такое как компьютеры, терминалы данных и текстовые процессоры.

Эффект статического электричества в производственных процессах становится все более серьезной проблемой в связи с широким использованием синтетических материалов и высокоскоростного оборудования. Некоторые пластмассы, например, при прохождении через машину могут создавать статические заряды в несколько тысяч вольт. Эти сильно заряженные материалы иногда притягиваются к роликам или направляющим машины, вызывая заедание и даже повреждение оборудования.Этот же сильно заряженный материал, если его перемотать на большой рулон, как в операции продольной резки и перемотки, может стать огромным конденсатором, способным накапливать статическое электричество мощностью более 50 000 вольт. Этот сильно заряженный «конденсатор» может вызвать у операторов неприятные удары током, даже ожоги или травмы из-за физической реакции на электрошок. Этот «конденсатор» может вызвать дугу к ближайшему проводнику и вызвать сильную дугу длиной в несколько дюймов, которая в правильной ситуации может легко вызвать пожар или взрыв.

В критических областях, таких как упаковка пищевых продуктов и лекарств, производство полупроводников и биомедицинских продуктов, а также практически в любых процессах, требующих процедур в чистом помещении или просто чистого продукта, статический заряд становится проблемой. Любая деталь или материал, поддерживающий статический заряд, будет притягивать загрязнения, будь то частицы пыли микроскопических размеров или пыль и стружка от механической обработки.

Большинство проблем, связанных со статикой, какими бы простыми или сложными они ни казались, могут быть решены после того, как проблема будет решена, проанализирована, а надлежащие методы управления внедрены и соблюдены.

Теория

Чтобы иметь возможность анализировать статические проблемы и определять правильные решения или методы нейтрализации, важно понимать физические и электрические принципы, участвующие в генерации статического электричества.

Молекулярная теория строения материи утверждает, что каждая молекула тела состоит из положительных и отрицательных зарядов. Положительные заряды содержатся в ядре молекулы, в то время как отрицательные заряды или электроны могут свободно вращаться вокруг положительно заряженного ядра.В нейтральной или незаряженной молекуле сумма отрицательно заряженных электронов на орбите равна сумме положительных зарядов в ядре. Любая материя, состоящая из нейтральных молекул, также нейтральна.

При определенных условиях некоторым молекулам не хватает силы или притяжения между положительным ядром и отрицательно вращающимися электронами, чтобы удерживать все электроны на орбите. В этом случае наиболее удаленные электроны на орбите, которые называются валентными электронами, имеют тенденцию притягиваться к соседней молекуле с большей силой притяжения, оставляя в ядре избыток положительных зарядов.Таким образом, молекула заряжается положительно. И наоборот, некоторые молекулы имеют тенденцию улавливать дополнительные электроны, вызывая дисбаланс и приводя к образованию отрицательно заряженной молекулы. Любое вещество с избытком отрицательных молекул становится отрицательно заряженным, и наоборот, вещество с избытком положительных молекул становится положительно заряженным.

Предметы или материалы могут заряжаться в результате трения или, проще говоря, просто контакта и разделения двух материалов. Когда два объекта или материала находятся в тесном контакте, валентные электроны, ближайшие к поверхности материала, свободно перемещаются от молекулы к молекуле, от материала к материалу, пока не присоединятся к более сильным ядрам.При разделении материалов один материал теряет электроны и становится положительно заряженным. Другой получает электроны и становится отрицательно заряженным. По мере того как давление или скорость контакта и разделения или трения между двумя материалами увеличивается, напряжение статического заряда увеличивается.

Другой способ, с помощью которого объект или материал может заряжаться, — это индукция. Сильно заряженный объект создает статическое поле вокруг объекта. Если изолированный или незаземленный проводящий объект попадет в это статическое поле, он тоже станет заряженным, но с противоположной полярностью.Это создает основу для возможного электростатического разряда на каком-либо другом проводящем объекте, что может привести к возникновению дуги, достаточной для воспламенения горючих веществ или разрушения чувствительных электронных компонентов. Если затем удалить проводящий объект с индуцированным зарядом из поля, он вернется в исходное состояние.

Изоляторы и проводники:

При работе со статическим электричеством необходимо учитывать типы материалов. Материалы делятся на две основные классификации: проводники и изоляторы.Внутри проводника электроны свободно перемещаются по всему телу. Следовательно, когда незаземленный проводник становится заряженным, весь объем проводящего тела принимает заряд с одинаковым потенциалом и полярностью. Заряженный проводник можно нейтрализовать, просто подключив его к земле, поскольку земля фактически является бесконечным источником и вместилищем электронов. Если проводник заряжен положительно и подключен к земле, необходимое количество электронов будет течь от земли к проводнику, пока проводник не станет нейтральным.И наоборот, если проводник заряжен отрицательно, а затем подключен к земле, избыточные электроны будут течь на землю, пока проводник не станет нейтральным.

Изолятор по-разному реагирует на статическое электричество и не может быть нейтрализован простыми методами заземления, как проводники. Внутри изолятора поток электронов очень ограничен. Из-за этого изолятор может сохранять несколько статических зарядов разного потенциала и полярности на различных участках своей поверхности.Подключение изолятора к земле не приведет к обмену или потоку электронов, как это происходит с проводниками, поэтому необходимо использовать другие средства для нейтрализации статического электричества на изоляторах.

Два основных метода нейтрализации статического электричества

Существует два основных метода нейтрализации статического электричества: метод проводимости и метод замены. Как упоминалось ранее, токопроводящий объект можно нейтрализовать, подключив его к заземлению. Пока проводник остается заземленным, статические заряды не могут развиваться.

Метод проводимости:

Изолятор, если он может быть проводящим, также может быть нейтрализован при заземлении. Изолятор можно сделать до некоторой степени проводящим одним из следующих способов: увлажнение, химические антистатические покрытия, внутренние антистатики и нагружение углем.

Некоторые гигроскопичные материалы обладают способностью впитывать влагу в условиях высокой влажности. В этом случае материал становится достаточно проводящим, чтобы снимать статические заряды.Для негигроскопичных материалов — уровень влажности, необходимый для эффективного рассеивания статического заряда; однако это было бы непрактично для большинства производственных приложений.

Антистатические химические покрытия наносятся на непроводящие объекты путем распыления, протирания или погружения и образуют проводящую поверхность, которая рассеивает статические заряды. Само по себе химическое вещество не делает поверхность проводящей, но фактически поглощает влагу из воздуха, которая собирается на поверхности и образует своего рода проводящий слой.

Внутренние антистатики — это химические вещества, которые примешиваются к пластику во время формования или экструзии. Эти антистатики продолжают мигрировать на поверхность и работают по тому же принципу, что и антистатические покрытия.
Углерод может быть добавлен к пластмассам перед формованием или экструзией для образования проводящих пластмасс, содержащих углерод. Этот процесс, а также использование внутренних антистатиков больше используется при производстве продукции для контроля статического электричества и не обязательно как средство устранения статических проблем, возникающих во время производственных процессов.

Метод замены — Ионизация:

Если недостающие электроны в положительно заряженном материале могут быть заменены или если отрицательно заряженный материал может поглощать положительные ионы, этот материал можно нейтрализовать. Этот процесс стал возможным благодаря ионизации, то есть расщеплению молекул воздуха на положительные и отрицательные заряды. Ионизирующее устройство испускает большое количество отрицательных и положительных ионов в непосредственной близости от статически заряженного объекта. Поскольку противоположные заряды притягиваются, заряженный объект принимает достаточное количество отрицательных или положительных ионов, в зависимости от того, что требуется для нейтрализации.Это ионизирующее устройство действует как бесконечный источник отрицательных и положительных ионов.

Методы ионизации

Существует три основных типа оборудования для производства ионизации: оборудование для нейтрализации статического электричества высокого напряжения, оборудование с ядерной энергией и нейтрализаторы индукционного типа.

Статический нейтрализатор с электрическим приводом состоит из одной или нескольких точек ионизации, на которые подается высокое напряжение в непосредственной близости от точки заземления.Поле высокого напряжения, возникающее между точкой ионизации и заземлением, ионизирует воздух. Когда заряженный материал проходит внутри этого поля, он становится нейтральным. Устройства нейтрализации статического электричества доступны во многих различных конфигурациях, включая взрывозащищенные конструкции для опасных зон. Термин «безударный» применительно к оборудованию с электрическим приводом означает, что точка ионизации емкостно связана с источником высокого напряжения, тем самым ограничивая ток в этой точке до очень низкого уровня.Прямой контакт с острием не вызовет ощущения удара, а поскольку энергия очень мала, искрение не вызовет воспламенения легковоспламеняющихся материалов. Безударные конструкции
обычно обеспечивают большую эффективность в определенных областях применения, связанных с чрезвычайно высокими зарядами или высокоскоростными материалами. В этом оборудовании источник высокого напряжения подключен непосредственно к точке ионизации. Непосредственный личный контакт с острием вызовет неприятное ощущение удара током, а
достаточно энергии, чтобы вызвать возгорание легковоспламеняющихся материалов.При выборе оборудования следует выбирать безударную или бесшумную конструкцию в зависимости от конкретного применения.

В нейтрализаторах статического электричества используются такие элементы, как полоний или радий, которые заключены в керамические шарики и прикреплены к нейтрализующим устройствам. Эти материалы бомбардируют окружающие молекулы воздуха высокоскоростными альфа-частицами, вызывающими ионизацию. Ядерное оборудование может использоваться во взрывоопасных зонах и не требует электрических подключений.Однако эти устройства можно сдавать только в аренду, и их необходимо заменять ежегодно.

Оборудование индукционного типа , даже если оно не имеет внешнего питания, использует принцип ионизации высокого напряжения. Эти устройства обычно имеют конфигурацию с прямым стержнем с рядом точек ионизации, пучками или проводом, подключенными к заземленному металлическому стержню. Высокое напряжение, необходимое для ионизации, на самом деле представляет собой статический заряд высокого напряжения на самом материале. Когда материал проходит через индукционную планку, поле высокого напряжения, связанное со статическим зарядом на материале, ищет точку заземления, которая представляет собой серию точек на стержне.Это ионизирует воздух в достаточной степени, чтобы помочь в нейтрализации, но не всегда может обеспечить достаточную нейтрализацию для решения проблемы. У индукционных стержней чем выше потенциал заряженного материала, тем выше ионизация.

Однако это работает и в обратном направлении. По мере уменьшения заряда материала эффективность ионизации снижается до тех пор, пока не достигнет порогового уровня, при котором ионизация прекращается. После этого должны использоваться другие средства, такие как оборудование с электрическим или ядерным приводом.

Руководство по выбору оборудования

Для получения оптимальных результатов при выборе оборудования или материалов для нейтрализации статического электричества всегда консультируйтесь с обученным и квалифицированным специалистом по электростатике, имеющим опыт работы в промышленности.

Оборудование для нейтрализации статического электричества доступно во многих различных конфигурациях и выбирается в зависимости от условий и требований каждого приложения. Следует отметить, что всякий раз, когда речь идет о взрывоопасных зонах или легковоспламеняющихся материалах, следует использовать безударные, взрывозащищенные или ядерные устройства.Если помимо нейтрализации статического электричества требуется очистка материалов или предметов, некоторые устройства также доступны с подачей воздуха, чистящими щетками или щетками и пылесосом.

Воздуходувки ионизирующего воздуха , вероятно, являются одним из наиболее универсальных типов оборудования для нейтрализации статического электричества. Они доступны в портативных моделях для настольной работы или в моделях для постоянного монтажа. Эти устройства способны нейтрализовать материалы на расстоянии до 10 футов и особенно подходят для деталей и материалов нестандартной формы, а также для рулонных и листовых материалов.Ионизирующие нагнетатели состоят из корпуса, содержащего вентилятор, который продувает воздух либо через решетку, либо через стержни, нейтрализующие статическое электричество, либо ядерный материал. Любые предметы или материалы в воздушном потоке нейтрализуются. Для опасных зон доступны электрические и ядерные блоки X-Proof.

Статические стержни доступны во многих различных конструкциях для решения многих задач. Они доступны в безударном или безударном электрическом исполнении, взрывозащищенном, ядерном и индукционном.Некоторые из них также доступны с подачей воздуха для удаления загрязнений. Стержни обычно состоят из прямого ряда ионизирующих точек, содержащихся в металлическом кожухе, и наиболее подходят для нейтрализации листовых материалов, полотен и практически любого плоского материала, который может проходить в пределах одного-двух дюймов от стержня. Статические стержни также доступны в круглых версиях для таких применений, как формование и заполнение, экструзия или транспортировка волокна. Также доступны специальные высокоскоростные шины с двойной полярностью для сложных применений, связанных с высокоскоростными полотнами.

Пистолеты и сопла для ионизации воздуха имеют встроенные ионизирующие устройства и работают на сжатом воздухе, который обеспечивает концентрированный точечный источник воздуха. Сопла и ручные пистолеты предназначены для одновременной очистки и нейтрализации статических зарядов на деталях и материалах. Оба доступны с электрическим приводом (безударный и бесшоковый) или ядерным, а некоторые доступны со встроенными воздушными фильтрами и конструкцией, подходящей для использования в чистых помещениях.

Системы сбора статической пыли для удаления пыли включают в себя статические стержни с электрическим приводом и чистящие щетки, установленные на вакуумном кожухе.Большой промышленный центробежный вакуумный агрегат со встроенной системой сбора обеспечивает вакуум. Обычно они изготавливаются по специальному заказу и предназначены в первую очередь для очистки и нейтрализации рулонных материалов.

Измерители статического заряда чрезвычайно полезны при анализе статических проблем и помогают найти подходящее место для установки оборудования для нейтрализации статического электричества. Можно контролировать эффективность нейтрализующего оборудования и проверять материалы, чтобы определить их заряжаемость и скорость разряда.Измерители доступны в более дешевых карманных моделях или в более сложных моделях для лабораторного использования. Измерители статического заряда необходимы там, где контроль статического электричества имеет решающее значение.

Проводящие браслеты — это самый важный элемент для отвода статического электричества от человеческого тела. Обычно они состоят из браслета из проводящего материала, соединенного с землей с помощью длинного многожильного провода с герметизированным резистором в один мегом на конце рядом с браслетом. При выборе токопроводящего браслета с многожильным заземляющим проводом, те, у которых резистор расположен ближе всего к браслету, обеспечивают максимальную защиту оператора от потенциальной опасности поражения электрическим током в случае случайного контакта изношенного заземляющего провода с a.c. линейное напряжение.

Проводящие и антистатические материалы — это либо углеродсодержащие пластмассы (обычно проводящие), либо пластмассы, содержащие внутренние антистатики (антистатические). Электропроводящие материалы доступны во многих конфигурациях, таких как наручные и ножные ремни, заземляющие ремни, токопроводящая пленка, пакеты, пенопласт высокой и низкой плотности, токопроводящие напольные коврики и напольные покрытия, рабочие поверхности, сумки, ящики для хранения вещей, лотки и ящики для хранения. Электропроводящие материалы широко используются в электронной промышленности для предотвращения разрушения компонентов, чувствительных к статическому электричеству.

Антистатическая одежда включает лабораторные халаты, халаты, перчатки, бахилы, кепки и т. Д., Помогающие контролировать статические заряды на теле и одежде. Одежда из синтетических материалов способна накапливать статические заряды в несколько тысяч вольт. Сильно заряженная одежда способна вызвать заряды на соседних проводниках, которые, в свою очередь, могут разрядиться и создать электрическую дугу, достаточную для воспламенения или разрушения чувствительного электронного компонента. Антистатическая одежда в первую очередь действует как «щит», предотвращая возникновение статического электричества за счет индукции.

Статическое электричество — обзор

10.2 Выработка статического электричества

Статическое электричество может генерироваться различными способами. Однако большая часть статического электричества возникает из-за генерации трибоэлектрического заряда и требует следующих условий:

(1)

Когда два разных твердых материала трутся друг о друга

(2)

Материалы впоследствии разделяются

Когда два материала соприкасаются, происходит перераспределение электрических зарядов на каждой поверхности по термодинамическим причинам.Когда электроны переходят из одного материала в другой, доступные уровни электронов в обоих материалах уравновешиваются после достижения равновесия. В трении, также называемом зарядом трением, нет необходимости, но обычно оно увеличивает перенос заряда.

Когда два материала впоследствии разделяются, перенос заряда становится очевидным как накопление электростатического заряда в двух материалах.

Различные материалы были ранжированы в порядке их способности производить статический заряд (Blakemore, 1974; Moore, 1973).Такой рейтинг дает так называемый трибоэлектрический ряд. Трибоэлектрификация — это термин, используемый для обозначения электрических зарядов, создаваемых силами трения.

В трибоэлектрическом ряду воздух, асбест, стекло, слюда, свинец, алюминий, бумага, сталь и дерево находятся в положительном (+) конце (от высокого до низкого порядка), в то время как резина, никель, медь, латунь, серебро, золото. и кремний находятся на отрицательном (+) конце (от высокого к низкому порядку).

Когда материал, такой как стекло, выбирается с положительного конца и приводится в контакт с материалом, выбранным с отрицательного конца, например резиной, стекло приобретает положительный заряд, а резина — отрицательный.Некоторые электроны в стекле находятся на более высоком уровне энергии, чем свободные уровни энергии в резине. Таким образом, электроны будут течь от стекла к резине до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Сохранение заряда требует, чтобы каждый материал приобретал одинаковые уровни заряда.

Чем дальше два материала разделены в трибоэлектрическом ряду, тем больше будет величина электростатического заряда, когда два материала входят в контакт и впоследствии разделяются.

Разделенные поверхности станут либо положительно, либо отрицательно заряженными, в зависимости от их относительного положения в трибоэлектрическом ряду. Полярность заряда не имеет большого практического значения при рассмотрении аспектов безопасности статических разрядов. Очевидно, это связано с тем, что количество энергии, участвующей в разряде, одинаково, независимо от того, исходит ли разряд от положительно или отрицательно заряженного объекта. С точки зрения человеческого комфорта, однако, обычно выясняется, что люди чувствуют себя более комфортно, когда их тела заряжены отрицательно, тогда как при положительном заряде они могут чувствовать тошноту.Поэтому, когда ожидается небольшое накопление статического заряда на теле человека, лучше всего, если это будет отрицательный заряд. Если ковры вызывают у пассажиров положительный заряд, они чувствуют себя «больными», а ковер способствует «синдрому больного здания».

Величина накопления статического заряда зависит от электрического сопротивления контактирующих поверхностей. Низкое электрическое сопротивление позволит зарядам возвращаться по разделяющим поверхностям к точке контакта, где они нейтрализуют друг друга.С другой стороны, когда электрическое сопротивление материалов велико, заряд не может течь обратно по разделяющим поверхностям за время разделения. В таких случаях образование электростатического заряда будет высоким.

Что вызывает статическое электричество?

Каждый человек испытывал статическое электричество. Примеры: когда вы видите искру в зеркале, расчесывающую ваши волосы, или когда вы дотрагиваетесь до дверной ручки после прогулки по ковру зимой.Видимая искра — это разряд статического электричества. Так почему это называется статическим электричеством? Это называется «статическим», потому что заряды остаются разделенными в одной области, а не перемещаются или «перетекают» в другую область, как в случае электрического тока, протекающего по проводу — это называется текущим электричеством.

Статическое электричество было известно еще древним грекам, что вещам можно было придать статический электрический «заряд» (накопление статического электричества), просто потерев их, но они понятия не имели, что та же энергия может быть использована для генерации света. или силовые машины.Именно Бенджамин Франклин помог вывести электричество на передний план. Он считал, что электричество можно получить от молнии.

Что такое статическое электричество?

Статическое электричество — это, по сути, дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Заряд остается до тех пор, пока не «разрядится». Статический электрический заряд может возникать всякий раз, когда две поверхности соприкасаются и разделяются, и по крайней мере одна из поверхностей имеет высокое сопротивление электрическому току (и, следовательно, является электрическим изолятором).Знакомая искра статического разряда, точнее, электростатического разряда, вызванная нейтрализацией заряда.

Откуда это обвинение?

Мы знаем, что все объекты состоят из атомов, а атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, электроны заряжены отрицательно, а нейтроны нейтральны. Следовательно, все складывается из зарядов.Противоположные заряды притягиваются друг к другу (от отрицательного к положительному). Подобные заряды отталкиваются друг от друга (от положительного к положительному или от отрицательного к отрицательному). Большую часть времени положительный и отрицательный заряды уравновешиваются в объекте, что делает этот объект нейтральным, как и в случае молекул.

Статическое электричество является результатом дисбаланса между отрицательными и положительными зарядами в объекте. Эти заряды могут накапливаться на поверхности объекта, пока не найдут способ высвободиться или разрядиться. При трении определенных материалов друг о друга могут передаваться отрицательные заряды или электроны.Например, если вы потереть обувь о ковер, ваше тело будет собирать с ковра лишние электроны. Электроны цепляются за ваше тело до тех пор, пока они не высвободятся, как в случае прикосновения к металлической дверной ручке.

«… Явление статического электричества требует разделения положительных и отрицательных зарядов. Когда два материала находятся в контакте, электроны могут переходить от одного материала к другому, что оставляет на одном материале избыток положительного заряда и равный ему отрицательный заряд с другой.Когда материалы разделены, они сохраняют этот дисбаланс заряда … »

Почему волосы встают дыбом при снятии шляпы?

Когда вы снимаете шляпу, электроны переходят от шляпы к волосам — почему у вас волосы встают дыбом? Поскольку объекты с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, по мере того, как волосы накапливают больше электронов, они будут иметь одинаковый заряд, и ваши волосы станут дыбом. Ваши волосы просто пытаются уйти как можно дальше друг от друга!

Что такое трибоэлектрический эффект?

Трибоэлектрический эффект — это тип контактной электризации, при котором определенные материалы становятся электрически заряженными после контакта с другим, другим материалом, а затем разделяются.

Чаще всего статическое электричество является трибоэлектрическим. Полярность и сила создаваемых зарядов различаются в зависимости от материалов, шероховатости поверхности, температуры, деформации и других свойств.

В настоящее время считается, что трибоэлектрический эффект связан с явлением адгезии, когда два материала, состоящие из разных молекул, имеют тенденцию слипаться из-за притяжения между разными молекулами. Химическая адгезия возникает, когда поверхностные атомы двух отдельных поверхностей образуют ионные, ковалентные или водородные связи, в этих условиях происходит обмен электронами между разными типами молекул, что приводит к электростатическому притяжению между молекулами, которое удерживает их вместе.

В зависимости от трибоэлектрических свойств материалов один материал может «захватывать» часть электронов из другого материала. Если теперь два материала отделены друг от друга, произойдет дисбаланс заряда.

Примеры серии трибоэлектриков, которые отдают электроны:

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД — Сухая кожа человека> кожа> мех кролика> стекло> волосы> нейлон> шерсть> свинец> шелк> алюминий> бумага НАИМЕНЕЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД

Примеры серии трибоэлектриков, которые отдают электроны:

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД — тефлон> силикон> ПВХ> скотч> сарановая пленка> пенополистирол> полиэстер> золото> никель> резина — НАИМЕНЕЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД

Как создать статическое электричество с помощью генератора Ван де Графа

Генератор Ван де Граафа — это электростатический генератор, который использует движущуюся ленту для накопления электрического заряда на полой металлической сфере на вершине изолированной колонны.Это может создать очень высокие электрические потенциалы. Он производит электричество постоянного тока очень высокого напряжения (DC) при низких уровнях тока. Он был изобретен американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году. (См. Ссылку ниже в журнале Scientific American). Разность потенциалов, достигаемая в современных генераторах Ван де Граафа, может достигать 5 мегавольт. Настольная версия может производить порядка 100 000 вольт и может накапливать достаточно энергии, чтобы произвести видимую искру. Маленькие машины Ван де Граафа производятся для развлечения и в классах физики для обучения электростатике.

Литература и литература:

Возможности электростатических генераторов — Никола Тесла — Scientific American 1934

Трибоэлектрическая зарядка общих объектов

Материалы, вызывающие статическое электричество

---

Проверьте свой Понимание:

Что создает статическое электричество? | Американский ученый

Эта статья из выпуска

июль-август 2012 г.

Том 100, номер 4

Стр. 316

DOI: 10.1511 / 2012.97.316

Когда два объекта соприкасаются, а затем разделяются, на поверхностях генерируются электрические заряды. Такие события называются трибоэлектрическими зарядами , также известными как контактные или статические заряды.

Трибоэлектричество — одна из старейших областей научных исследований, восходящая к экспериментам древнегреческого философа Фалеса Милетского, который обнаружил, что трение янтаря о шерсть приводит к появлению электростатического заряда.Действительно, трибоэлектрик по-гречески означает «натертый янтарь»; однако в трении нет необходимости, потому что такая зарядка также является результатом простых нефрикционных контактов.

Повышение этого электрического потенциала может привести к электростатическому разряду с последствиями, которые могут варьироваться от дискомфорта до катастрофы. Результаты могут быть столь же легкими, как толчок, который мы испытываем при прикосновении к дверной ручке после прогулки по ковру в сухую погоду, или столь же ужасными, как крушение Hindenburg , где одна из теорий причины возгорания дирижабля заключается в том, что статическая искра воспламенила утечку водорода.Такие разряды являются серьезной проблемой для НАСА, потому что сухие условия на Луне и Марсе идеально подходят для трибоэлектрической зарядки: астронавт, потянувшись открыть воздушный шлюз после прогулки по сухой поверхности, может вызвать разряд, который может вызвать повреждение критически важного электронного оборудования. . Но не всякая статика является помехой: трибоэлектрическая зарядка, если ее контролировать, работает в таких устройствах, как копировальные аппараты и лазерные принтеры.

Хотя статическое электричество — знакомая тема, многое все еще остается неизвестным о том, как и почему образуются такие заряды.В настоящее время проводятся исследования во многих областях науки и техники, от физики и химии до медицины и метеорологии, по различным аспектам трибоэлектричества. Однако относительно немного ученых занимаются его пониманием на фундаментальном уровне.

Контактная перезарядка между двумя металлами, как известно, является результатом переноса электронов. Но когда хотя бы один из материалов является электрическим изолятором, нет общего понимания того, что переносит заряды с одной поверхности на другую.В разных теориях предлагались электроны или ионы. Электрон — это субатомная частица, несущая отрицательный электрический заряд; электрический ток включает движение электронов в металлическом проводнике. С другой стороны, ион может нести как положительный, так и отрицательный электрический заряд; они известны как катионы и анионы соответственно. Катион имеет меньше электронов, чем протонов, что придает ему положительный заряд. Анион имеет больше электронов, чем протонов, поэтому он имеет отрицательный заряд.Катионы и анионы могут быть атомами, молекулами или фрагментами полимера. Были обнаружены доказательства переноса как электронов, так и ионов в конкретных экспериментальных условиях, но эти данные ограничены и часто противоречат друг другу. Недавно новое исследование продемонстрировало, что перезарядка также может быть результатом физического переноса крошечных количеств поверхностного материала от одного вещества к другому. Понимание того, как это происходит на молекулярном уровне, только начинает появляться. Становится все более очевидным, что одновременно может происходить более одного механизма, и то, что происходит, может зависеть от состава материалов и условий экспериментов способами, которые еще не известны.

Примечательно, что почему перезарядка вообще происходит, когда задействованы изоляторы, еще менее понятно, чем то, как это происходит, хотя внутренняя сложность проблемы уже давно оценена. Как материал, который по определению не проводит электричество, тем не менее получает электрический заряд? Необходимо ответить на три вопроса: являются ли виды перезарядки электронами или ионами, какова движущая сила перезарядки и что ограничивает перезарядку? Прогресс в поиске конкретных механизмов перезарядки, который традиционно считается проблемой физики, не начался до тех пор, пока не были применены некоторые области химии.

Одной из причин, по которой ответы не всегда появляются, является отсутствие стимула: большинство исследований, связанных с трибоэлектричеством, применяется для разработки новых технологий и решения проблем, и понимание механизмов обмена зарядом для этих целей не требуется — взимается плата. просто заряд, независимо от того, как и почему это происходит. Однако четкое представление о механизмах зарядки может помочь в достижении полезных целей, когда оно станет доступным .

Безусловно, наиболее важными коммерческими продуктами, основанными на трибоэлектричестве, являются копировальные аппараты и лазерные принтеры (которые используют ту же технологию, что и копировальные аппараты, но включают лазерный вход), первые из которых были разработаны Xerox Corporation.Электрофотографические копировальные аппараты основаны на двух явлениях: трибоэлектрической зарядке и фотопроводимости. Фотопроводники — это материалы, которые лучше проводят электричество при воздействии света. Воздействие на заряженный фотопроводник светового изображения документа приводит к разрядке освещенной области. Заряженные частицы тонера притягиваются к рисунку изображения на фотопроводнике, переносятся на бумагу и сливаются для получения копии. Тонер подвергается трибоэлектрическому заряду путем смешивания его с носителем, образуя так называемый проявитель.Носители обычно состоят из шариков диаметром 100 микрометров, частично покрытых полимером. Состав тонера и носителя выбирается, среди прочего, для оптимального трибоэлектрического заряда.

Одно время было разумным полагать, что базовое понимание трибоэлектричества может помочь в разработке материалов для проявки. Ранний успех копиров обеспечил такой стимул, но это достижение продолжалось, несмотря на отсутствие прогресса в расшифровке механизмов трибоэлектрической перезарядки с точки зрения переноса электронов или ионов.

Именно в Xerox в 1970-х годах я впервые заинтересовался этим предметом, когда работал химиком-исследователем с целью применения химии для базового понимания того, как трибоэлектрическая зарядка связана с составом материалов. Первые копировальные аппараты Xerox, представленные в 1960 году, имели едва ли приемлемое качество копий, что явилось результатом полностью эмпирических усилий Battelle Memorial Institute по разработке материалов для проявки без какого-либо базового понимания трибоэлектричества.Сложность достижения приемлемого качества копии возрастала экспоненциально с увеличением скорости процесса, в результате чего появление высокоскоростного копировального аппарата 9200 в 1970-х годах не принесло немедленного успеха — явный признак того, что версия электрофотографии Xerox (которую они назвали ксерографией) ) приближался к своему пределу.

Примерно в то же время Xerox получила доступ к новому виду электрофотографической технологии, которая обеспечивала исключительно высокое качество копий. В нем участвовали проводящие проявители и контроль заряда тонера с помощью добавок — концепция, которая позже использовалась для предоставления первого доказательства механизма переноса ионов при контактной перезарядке.Этот результат явился результатом случайной серии событий, начавшихся с анализа конкурентов — эпизода, который теперь кажется недостающей частью истории Xerox. В 1973 году группу из пяти физиков и одного химика (меня) попросили проанализировать большое количество патентов на копировальные аппараты, выданных Kodak. Каждому из нас была назначена отдельная подсистема копировального аппарата с целью определить, есть ли у Kodak серьезные намерения войти в сферу копировальной техники. Мне было поручено изучить материалы для разработчиков, и я был единственным членом команды, который пришел к выводу, что Kodak действительно планировал представить копировальный аппарат.Консенсус возобладал, и, как следствие, когда в 1975 году был представлен первый копировальный аппарат Kodak Ektaprint, Xerox была застигнута врасплох сразу по нескольким направлениям.

Копия Ektaprint появилась у меня на столе с просьбой объяснить руководству Xerox, как Kodak может производить копии значительно более высокого качества по сравнению с лучшими копиями Xerox того времени — с точки зрения покрытия сплошных областей, резкости края печатные буквы и низкий уровень случайной печати на заднем плане. Моя презентация была воспринята с большим недоверием, потому что технология Kodak так сильно отличалась от основных проектных предположений, которых придерживалась Xerox.Из анализа, проведенного разработчиком Kodak, быстро стало очевидно, что качество их изображения является результатом использования проводящего проявителя (с положительно заряженными тонерами) в отличие от изоляционного проявителя (с отрицательным тонером), используемого Xerox.

Положительные тонеры являются результатом эмпирического открытия Kodak агентов управления зарядом, которые генерируют и контролируют положительные заряды путем включения солей четвертичного аммония (состоящих из катиона с центральным атомом азота, присоединенного к четырем углеводородным группам , в паре с анион, такой как ион хлорида).Очевидно, Kodak продемонстрировала научное мастерство своих химиков по сравнению с химиками Xerox! Навыки, необходимые для разработки материалов для электрофотографического проявителя, такие же, как и навыки, необходимые для начала процесса понимания трибоэлектрической зарядки полимеров — навыки, основанные на химии, главное преимущество Kodak, но относительное слабое место в Xerox. Тем не менее, несмотря на это преимущество Kodak, позже компания Xerox сравняла сферу деятельности благодаря необычному стечению обстоятельств.

Разница в качестве копий была настолько велика, что в Xerox сразу же осознали необходимость использования технологии Kodak.Физики Xerox страстно изучали, как высокое качество изображения стало возможным благодаря использованию проводящих проявителей. Команда химиков была создана для производства и тестирования тонеров, содержащих большое количество различных солей четвертичного аммония в проводящих проявителях. Результатом этой деятельности стала серия по меньшей мере дюжины патентов, основанных непосредственно на конструкции Kodak, поданных в период с 1978 по 1985 год и выданных Xerox в период с 1980 по 1987 год; Я был соавтором нескольких из этих достижений. Примечательно, что компания Kodak никогда не оспаривала эти патенты.Запатентованная технология Kodak для производства копий, превосходящая качество копий Xerox и IBM, дала компании возможность доминировать на рынке копировальных устройств, но компания не сумела воспользоваться этим преимуществом и позже отказалась от производства копировальных устройств. При каких обстоятельствах Kodak отдала свою жемчужину в короне копировальных технологий, особенно хорошо зарекомендовавшему себя конкуренту — предмету некоторого интереса в свете текущего состояния Kodak? Может ли это быть связано с жалобой Федеральной торговой комиссии (FTC) на компанию Xerox в 1973 году по обвинению в недобросовестной конкурентной практике? Xerox предпочла урегулировать дело вместо судебного разбирательства.В рамках мирового соглашения Xerox была обязана выдать конкурентам лицензию на все патенты, относящиеся к копировальным аппаратам, но взамен «Xerox может потребовать перекрестную лицензию на любые патенты любого лицензиата…». Почему Xerox согласилась на такое обременительное урегулирование в деле, правовые вопросы которого были относительно равномерно сбалансированы, согласно заявлениям Фредерика М. Шерера, тогдашнего главного экономиста FTC? Было ли это главным образом для того, чтобы получить доступ к патенту Kodak в США № 3 893 935, заявившему о превосходных материалах для проявки, которые угрожали будущему Xerox?

Технология электрофотографической визуализации Xerox достигла предела в 1970-х годах, для которого их исследовательские лаборатории не могли найти решения, и она была спасена от этой потенциально опасной бизнес-проблемы, приняв на вооружение технологию Kodak — проводящие материалы для проявки с положительно заряженным тонером.Я играл центральную роль в анализе Kodak и до сих пор имею оригинальную документацию, но, что удивительно, эти разработки не включены ни в какие исторические отчеты о технологии копировальных устройств Xerox. Действительно, один из авторов истории Xerox лично изучал кондуктивных разработчиков и опубликовал свои результаты в другом месте в 1987 году. Конкурентный анализ является стандартной деловой практикой, поэтому можно удивляться такой избирательности в исторической документации.

Физик Xerox и выдающийся изобретатель сделал комментарий о патентных стратегиях Kodak на семинаре по интеллектуальной собственности в рамках программы Lemelson-MIT в 2003 г. по теме: Как интеллектуальная собственность поддерживает творческий процесс изобретения? Он заявил: «Kodak чаще использовала коммерческую тайну [чем патенты]… Они предпочли бы хранить свои изобретения в качестве коммерческой тайны, потому что они не хотели, чтобы срок их действия истек.Это действительно любопытный комментарий, учитывая тот большой вклад, который патенты Kodak внесли в технологию Xerox, и особенно потому, что это замечание было сделано в присутствии председателя семинара, бывшего старшего руководителя Xerox, который был менеджером по физике в корпорации в 1970-х годах. .

Вследствие событий Kodak-Xerox компания Xerox нашла решение своих проблем с изображениями — и мотивация для фундаментальных исследований трибоэлектричества в Xerox была потеряна.

Трибоэлектричество было классифицировано как проблема в физике твердого тела, потому что контактная зарядка между двумя металлами была хорошо изучена с точки зрения физики переноса электронов.Движущей силой этого переноса является разница между работой выхода металлов, энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности металла. Для контактов металл-полимер исследователи обнаружили линейную зависимость между плотностью заряда, создаваемого на полимере, и работой выхода металла, что было представлено в качестве доказательства механизма переноса электрона. Позже сообщалось, что эта взаимосвязь не всегда присутствует, но это несоответствие было связано с трудностью получения воспроизводимых результатов из-за большого количества задействованных переменных и возможности более чем одного одновременного механизма.

Для зарядки между двумя изоляторами физики разработали теории, основанные на предположении о механизме переноса электрона. Хотя эти теории не вносят вклад в вопрос о природе видов перезарядки, эти теории имели спорный успех в рассмотрении движущей силы для перезарядки с точки зрения «эффективных рабочих функций» изоляторов. Эта концепция сомнительна, поскольку в изоляторах нет свободных электронов. Но такие теории были более успешными в объяснении предела перезарядки с точки зрения электрического поля, создаваемого зарядами в некоторых случаях.В других случаях накопление заряда ограничивается, когда окружающее электрическое поле становится достаточно большим, чтобы превысить диэлектрическую прочность окружающего воздуха, отделяя электроны от молекул воздуха и превращая его из изолятора в проводник, таким образом утекая ток. из материала.

Очевидно, что физического подхода было недостаточно для решения многопрофильной проблемы, но преобладающая физическая культура в Xerox не признавала этого ограничения.В конце концов химик Xerox сделал уступку, проанализировав модели электронной структуры органических полимеров, сосредоточив внимание на тех, которые имеют высокоупорядоченные группы с жесткими периодическими массивами атомов, некоторые из которых обладают почти металлическими свойствами. Он пришел к выводу, что «описание электронной структуры этих материалов требует введения концепций, более знакомых в области электрохимии и физической химии, чем физика твердого тела».

Прошло два десятилетия после открытия компанией Kodak агентов контроля заряда тонера, когда исследователи использовали этот подход к дизайну, пример химической концепции мобильных ионов, , чтобы получить доказательства механизма переноса ионов для трибоэлектрической зарядки.Многие исследователи внесли свой вклад в это крупное достижение, в том числе Артур Диас из исследовательского центра IBM Almaden в Сан-Хосе, Говард Мизес и Ло Кок-Йи из Xerox Corporation, а также Логан Маккарти и Джордж Уайтсайдс из Гарвардского университета. Мобильный ион может свободно переноситься с одной поверхности на другую, потому что у него есть противоион с противоположным зарядом , который либо значительно больше и имеет меньшую подвижность, либо прикреплен к полимеру и не имеет свободы переноса. В случае молекул и полимеров, содержащих подвижный ион, механизм перезарядки действительно связан с переносом этого иона как со знаком заряда, так и с его величиной.Но движущая сила этого механизма остается неуловимой. Обмен заряда равной величины также может происходить, когда полимеры не содержат подвижных ионов, поэтому должен работать дополнительный механизм. В 2008 году Маккарти и Уайтсайдс нашли ответ в своей гипотезе гидроксид-иона, согласно которой молекулы воды в тонком водном слое между полимерами диссоциируют с преимущественной адсорбцией образующихся гидроксид-ионов (OH ^—) на одной поверхности. Электрокинетические данные подтвердили их гипотезу.Но эксперименты в 2011 году Бартоша Гржибовски и его группы в Северо-Западном университете, разработанные для проверки этой гипотезы, показали, что перезарядка может происходить между двумя неионными полимерами при полном отсутствии воды, что подразумевает механизм, полностью отличный от обоих предложенных гидроксидов. ионная гипотеза и ионный перенос в целом. Однако их результат не исключает механизма гидроксид-иона в присутствии воды, возможно, представляя другую ситуацию, в которой одновременно может применяться более одного механизма.

Основные достижения в понимании методов переноса заряда были зарегистрированы за последние несколько лет, и во всех них зарядка является результатом приложения значительного количества механической силы между двумя полимерами, в частности, при прессовании, трении и срезании контактов. В настоящее время в этой области происходит революция благодаря применению анализа поверхности — электрического, химического и электрохимического. Давно известно, что контакт полимера с другим материалом может привести к переносу части полимера с одной поверхности на другую; Также было установлено, что в макроскопическом масштабе трибоэлектрически заряженная поверхность может иметь как положительные, так и отрицательные области.В 2011 году, используя микроскопию силы Кельвина — анализ электрических свойств поверхности с высоким разрешением — Гржибовски и его команда продемонстрировали, что перенос материала может сопровождаться перезарядкой на наноскопическом уровне, когда два полимера прижимаются друг к другу в разное время и в разной степени. давления, а затем отделены. Такая перезарядка была неожиданной. На протяжении веков считалось, что при такой контактной зарядке одна поверхность заряжается однородно положительной, а другая — однородно отрицательной.Группа обнаружила, что, хотя каждая поверхность развивает чистый заряд положительной или отрицательной полярности, каждая поверхность также поддерживает случайную мозаику противоположно заряженных областей в наноскопических размерах. Суммарный заряд на каждой поверхности представляет собой арифметическую сумму положительно и отрицательно заряженных доменов. Это открытие означает, что происходит обмен большего количества зарядов, чем предполагалось ранее. Заряд — это событие, затрагивающее не одну из 10 000 поверхностных групп, а больше порядка одного заряда в 100 поверхностных группах.

Различные типы спектроскопии и химического анализа поверхностей выявили окисленные частицы, которые, как считается, ответственны за заряд. Этот механизм переноса материала был значительным достижением в том, что он представляет собой первый отход от механизмов переноса электронов / ионов, а также впервые учитывает движущую силу для перезарядки. Сжатие двух полимеров вместе с последующим разделением вызывает перемещение небольших комков материала между поверхностями.Для того, чтобы этот обмен произошел, ковалентные связи должны быть разорваны, с образованием фрагмента полимера свободных радикалов на обоих сайтах разрыва. Свободные радикалы — это атомы или молекулы, имеющие неспаренные электроны, которые вызывают их высокую химическую активность, и считается, что они реагируют с окружающим кислородом и водой с образованием заряженных частиц.

В 2012 году Фернандо Галембек и его коллеги из Университета Кампинаса в Бразилии продвинули этот механизм передачи материалов на шаг вперед.Тефлон и полиэтилен были разрезаны вместе — прижаты и скручены друг относительно друга. После разделения команда обнаружила макроскопические домены или паттерны, как положительно, так и отрицательно заряженные, аналогичные тем, о которых сообщила группа Гржибовски. Материалы, извлеченные с поверхностей растворителями, были идентифицированы как полимерные ионы. Остатки тефлона были преимущественно отрицательно заряжены, а остатки полиэтилена были преимущественно положительно заряжены. Команда Галембека предложила такой механизм: высокая температура в точках контакта с трением приводит к пластификации и / или плавлению полимера.Сдвиговые силы вызывают разрывы цепей полимерных молекул, образуя свободные радикалы полимерных фрагментов. Перенос электрона от полиэтиленовых радикалов к более электроотрицательным тефлоновым радикалам преобразует эти свободные радикалы в положительные и отрицательные ионы полимера, соответственно, которые известны как амфифилы . Заряженные макроскопические домены образуются из-за комбинации двух факторов: известно, что амфифилы на границах раздела сортируются в массивы, когда они находятся в типе полярной среды, создаваемой ионами, а тефлон и полиэтилен не смешиваются.

Сравнение работ Галембека и Гжибовски иллюстрирует сложное взаимодействие между свойствами полимера и природой контакта, влияющим на механизм перезарядки. Вклад каждого из факторов, идентифицированных Galembeck в механизме переноса материала, зависит от вязкоупругих, топографических, химических и других свойств конкретных используемых полимеров, а также от природы контакта. Например, легкость разрыва связи будет различаться между полидиметилсилоксаном (PDMS), полимером с кремний-кислородной основой, используемым Гржибовски, и полимерами на основе углеродной основной цепи, используемыми Galembeck.Можно ожидать, что степень плавления или пластификации будет меньше в легких контактах с низким коэффициентом трения, чем в контактах со сдвигом или сильным трением, из-за более низких температур, в дополнение к влиянию присущих полимеру свойств, таких как стеклование. температура (когда материал меняет свои свойства текучести без изменения молекулярной структуры). Но разрыв полимерной цепи мягкого полимера, такого как PDMS, может происходить при более низких температурах в контактах с низким давлением и низким коэффициентом трения из-за запутывания полимерных цепей на границе раздела, которые разрываются при разделении.Такие зацепления усиливаются в кремний-кислородных полимерах основной цепи за счет присутствия олигомеров (фрагментов полимеров) и циклических олигомеров (где фрагменты имеют кольцевую структуру). Эти вещества существуют в динамическом равновесии; , они постоянно модифицируются из-за постоянного размыкания и размыкания кремний-кислородных связей, но не имеют чистого изменения. В механизме передачи материала движущей силой для создания зарядов является вклад механической энергии во время контакта полимеров.

Недавно были достигнуты успехи в исследованиях трения контактов между двумя полимерами. В 2008 году Чонг-ян Лю и Аллен Бард из Техасского университета в Остине и независимо Торибио Отеро из Политехнического университета Картахены в Испании предложили механизм переноса электронов на основе того, что после разделения поверхности могли индуцировать несколько электрохимических реакций, которые могут быть вызваны только электронами. Их интерпретация была оспорена в 2011 году Сильвией Пиперно и ее коллегами из Института науки Вейцмана в Израиле, которые предложили механизм переноса ионов, основанный на переносе материала, содержащего полярные частицы.В 2011 году Николаус Кнорр из лаборатории материаловедения Sony в Штутгарте, Германия, сообщил также о трущихся контактах между двумя полимерами.

Трибоэлектрическая зарядка возникает в результате контакта между поверхностями, но то, что именно подразумевается под каждым из этих терминов, не определено и не понимается, поскольку они относятся к зарядке. Мой интерес был сосредоточен на следующих вопросах: как механизмы трибоэлектрического заряда связаны с глубиной поверхности полимера (глубина проникновения заряда ), и как эта глубина изменяется в зависимости от природы контактов? В новаторских экспериментальных планах использовалось множество различных типов контактов, но, по-видимому, не было предпринято никаких усилий для изучения этого фактора как контролируемой первичной переменной.Во многих исследованиях трибоэлектрической зарядки полимеров не принималось во внимание тот факт, что полимеры обычно не являются композиционно или морфологически однородными в зависимости от глубины.

Хорошо известно, что добавки с низкой поверхностной энергией в полимерах будут мигрировать на поверхность, если пленки изготовлены из раствора, чтобы обеспечить термодинамическое равновесие компонентов. Я использовал это явление, работая в Xerox в середине 1970-х годов, чтобы исследовать глубину проникновения заряда. Был приготовлен ряд полимеров, состав которых, определяемый с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, должен отличаться от известных составов в массе.Трибоэлектрический заряд определялся каскадом небольших (100 и 250 микрометров) шариков, как из чистого металла, так и с полимерным покрытием, поверх наклонных полимерных пленок, отлитых на алюминиевые пластины, методом с установленной точностью и воспроизводимостью. Отскакивающие контакты были легкими и короткими, с расчетным временем контакта 0,00001 секунды. Неожиданным открытием стало то, что контактная зарядка между двумя полимерами относится к их самым верхним молекулярным слоям, а между металлом и полимером — к слоям, расположенным под поверхностью полимера.Гипотеза заключалась в том, что первое является результатом переноса ионов между самыми верхними поверхностями, а второе включает туннелирование электронов в объем, таким образом постулируя связь между механизмом зарядки и глубиной проникновения заряда, что подтверждается тем фактом, что ионы, как известно, адсорбируются на полимер. считается, что в них проникают поверхности и электроны.

Принимая во внимание новые доказательства механизма переноса материала, я впоследствии сообщил, что вышеупомянутые результаты могут быть одинаково хорошо интерпретированы переносом материала: контакт полимерной пленки с шероховатой твердой металлической поверхностью из-за ее более широкого применения. усилие выкалывает более глубокий слой, чем при контакте с более гладкой и мягкой полимерной поверхностью.Отсюда следует, что механизмы переноса электронов, ионов и материалов могут происходить одновременно, в зависимости от материалов и условий контакта. Для контактов металл-изолятор механизм переноса электрона при некоторых обстоятельствах достаточно установлен. Для контакта между двумя изоляторами вопрос заключается в том, является ли перенос материала единственным или преобладающим механизмом во всех контактах.

Альтернативные концепции включают порог приложенной силы или энергии, ниже которого переносится недостаточно материала, чтобы вызвать перезарядку, или континуум типов контактов, в которых происходит перенос электронов, ионов и материала, с возрастающим участием последнего с возрастающей силой или приложенное давление.В этом контексте интересны количественные данные Ло и его коллег в 1995 г. о переносе ионов. Тонер, покрытый солью цезия, осторожно перемешивали с носителями, покрытыми полимером. Были обнаружены линейные корреляции между перезарядкой и степенью переноса цезия в зависимости от времени перемешивания, что является убедительным доказательством механизма переноса ионов цезия. Подвижные ионы по самой своей природе переносятся легче, чем фрагменты полимера, что требует разрыва связи. Может ли это означать, что механические силы между тонером и носителем были слишком низкими для одновременного переноса фрагментов полимера? Существует ли иерархия механизмов перезарядки, так что несколько механизмов могут вносить свой вклад в начисление платы в соответствии с их положением в рейтинге, пока не будет достигнута предельная зарядка? В поддержку этой теории группа Лоу обнаружила те же корреляции между зарядкой и переносом ионов с носителями из чистого металла, что указывает на то, что перенос подвижных ионов, если они есть, имеет место, а не перенос электронов, что было продемонстрировано в различных экспериментах путем корреляции с металлические рабочие функции.

Явление, которое продолжает озадачивать экспериментаторов, заключается в том, что контактная зарядка происходит между материалами одинакового состава. Как указано в обзорной статье 2011 года Дэниела Дж. Лакса и Р. Мохана Шанкарана из Университета Кейс Вестерн Резерв, «Еще один открытый вопрос — это контактная электризация, которая возникает, когда два изоляционных материала с одинаковыми физическими свойствами соприкасаются, поскольку нет очевидной движущей силы. , непонятно, почему происходит перенос заряда ». Зарядка идентичных материалов противоречит давней и чрезмерно упрощенной концепции трибоэлектрической серии , , где материалы ранжируются в соответствии с их склонностью к положительному или отрицательному заряду.Материал заряжается положительно по отношению ко всем материалам, находящимся ниже в ряду, что означает, что для зарядки контакта необходимо различие в составе. Тем не менее, заряд происходит, когда идентичные полимеры либо сжимаются, либо натираются друг с другом, симметрично или асимметрично. Асимметричное трение полимерных пленок происходит, когда небольшая площадь одного полимера контактирует с большей площадью другого. Направление зарядки зависит от используемых материалов.

Как это часто бывает, именно такие неожиданные явления могут предоставить важную механистическую информацию.Я предложил механизм перезарядки между идентичными материалами как расширение концепции, согласно которой глубина, с которой материал переносится с поверхности полимера, увеличивается с приложенной силой. Асимметричное трение приводит к неравным силам, прикладываемым к каждой поверхности, так что переносится материал с разной глубины. Поскольку полимеры обычно неоднородны по своему вертикальному составу, эта асимметрия может вызвать перенос материала разного состава, что приведет к появлению суммарных зарядов разных знаков на разделенных биполярно заряженных поверхностях.

В качестве альтернативы, различия в степени и типе механической силы, приложенной к каждой поверхности, могут привести к незначительным различиям в механохимии , химических реакциях , являющихся результатом приложения механической силы. На двух поверхностях, где происходит перезарядка, могут быть созданы достаточно разные составы ионов полимерных фрагментов.

Этот новый механизм может также применяться к симметричному трению и прессованию идентичных полимеров на том основании, что небольшие непреднамеренные степени асимметрии могут привести к достаточному асимметричному переносу состава, что приведет к зарядке.Это в равной степени применимо к зарядке между материалами разного состава и, таким образом, способствует пониманию общего механизма переноса материала. Различия в твердости или мягкости также могут способствовать асимметричному переносу материала. Использование полимеров, имеющих неоднородность состава в зависимости от глубины, таких как те, которые описаны в экспериментах ранее, могло бы обеспечить чувствительную проверку этой гипотезы, поскольку перенос материалов с различным составом можно было бы легко обнаружить.

Трибоэлектрическая зарядка идентичных по составу материалов также происходит с твердыми частицами, например, во время пыльных бурь и промышленных операций с мелкими частицами. Опять же, такие явления могут происходить из-за асимметричных контактов, которые возникают из-за различий в размере частиц. Более крупные частицы заряжаются положительно, а более мелкие — отрицательно. Был предложен механизм переноса электронов, в котором электроны, захваченные в поверхностных состояниях с высокой энергией, переходят в состояния с более низкой энергией в других частицах во время столкновения.Предыдущие исследования проводились с предположением, что состав поверхности и другие характеристики поверхности не меняются в зависимости от размера частиц, что могло быть неверным.

Существует возрастающая потребность в создании материалов, которые не заряжаются при контакте, что, возможно, наиболее важно из-за продолжающейся миниатюризации электронного оборудования, что делает его еще более уязвимым к повреждению даже при низковольтном разряде. Другая мотивация — чистое исследование, цель которого — понимание природных явлений и наблюдаемых фактов без особого приложения или решения проблем.Что касается контакта между двумя полимерами, исследования взаимодействия между переменными, относящимися к полимерному составу и типу контакта, должны пролить свет на такие ключевые вопросы, как: Для контактов с полимерами, содержащими подвижные ионы, какие факторы влияют на вклад ионного переноса по сравнению с переносом материала? И когда речь идет о металле, какие факторы влияют на вклад электронов в перенос материала по сравнению с переносом материала?

Кроме того, недавние разработки привлекли внимание к необходимости применения механохимии, которая играет центральную роль в механизме переноса материала.Объединение отдельных частей головоломки в целостную общую картину потребует многодисциплинарных усилий. Сложные проблемы все чаще требуют участия нескольких научных дисциплин. Исследования показали, что средний размер групп, необходимых для выпуска рецензируемых публикаций за последние 50 лет, увеличивался на 20 процентов каждое десятилетие. Вполне вероятно, что эта когда-то только физическая область будет продолжать расти и находить ответы во многих других областях науки.

• Байтекин, Х.Т., А.З. Паташинский, М. Браницки, Б. Байтекин, С. Сох и Б.А. Гжибовски. 2011. Мозаика поверхностного заряда при контактной электризации. Наука 333: 308–312.
• Бурго, Т. А. Л., Т. Р. Д. Дукати, К. Р. Франциско, К. Дж. Клинкспур, Ф. Галембек и С. Э. Галембек. 2012. Трибоэлектричество: Макроскопические структуры заряда, образованные самоорганизующимися ионами на полимерных поверхностях. Langmuir. DOI: 10.1021 / la301228j
• Castle, G. S. P. 2008. Контактная зарядка между частицами; некоторое текущее понимание. Протоколы Ежегодного собрания ESA по электростатике Документ M1. http://www.electrostatics.org/images/ESA_2008_M1.pdf
• • Duke, C. B., and D. Hays. 2001. Колыбель ксерографии. Промышленный физик 7 (2): 39–41. http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-7/iss-2/p39.pdf
  • Duke, C. B., J. Noolandi и T. Thieret. 2002. Наука о поверхности — ксерография. Наука о поверхности 500: 1005–1023.
  • Хейс, Д. 1987.Электрические свойства токопроводящих двухкомпонентных ксерографических проявителей. Транзакции IEEE в отраслевых приложениях IA-23 (6): 970.
  • Jadwin, T. A., A. N. Mutz и B.J. Rubin. 1975. Электрографический тонер и состав проявителя. Патент США 3893935.
  • Лакс, Д. Дж. И Р. М. Шанкаран. 2011. Контактная электрификация изоляционных материалов. Физический журнал D: Прикладная физика 44: 453001.
  • Лерер, Дж. 2011. Сложность совершения новых открытий. Wall Street Journal Review, 7 февраля.
  • Маккарти, Л. С. и Г. М. Уайтсайдс. 2008. Электростатический заряд из-за разделения ионов на границах раздела. Angewandte Chemie International Edition 47: 2188–2207.
  • Myers, M. B., et al. 2003. Как интеллектуальная собственность поддерживает творческий процесс изобретения? Программа Lemelson-MIT. http://web.mit.edu/invent/n-pressreleases/downloads/ip.pdf
  • Шерер, Ф. М. 2010. Полвека исследований по экономике патентов. Журнал ВОИС: анализ и обсуждение вопросов интеллектуальной собственности 2: 20–27.
  • Уильямс, М. В. 2012. Трибоэлектрическая зарядка изоляционных полимеров — некоторые новые перспективы. AIP Advances 2: 010701.
  • Wuchty, S., B. F. Jones и B. Uzzi. 2007. Растущее доминирование команд в производстве знаний. Наука 316: 1036–1039 .

поглотителей энергии: статическое электричество может привести мир в действие

Пластиковая штуковина в руке Чжун Линь Вана не похоже на завтрашнее решение нашего надвигающегося энергетического кризиса.По размеру и форме он похож на небольшой грейпфрут, но гладкий и полупрозрачный. Когда он его встряхивает, маленький шарик внутри свободно подпрыгивает.

«Если у тебя нет энергии, у тебя нет всего», — говорит Ван яростным шепотом, требующим, чтобы слушатели наклонились. Он стоит совершенно неподвижно, но из-за тряски внутренний шар раскачивается, как разочарованный. кусок попкорна. В другой руке Ван держит небольшую печатную плату с мигающим светодиодом посередине. Проволока соединяет пластмассовый шар с источником света.Чем больше он трясется, тем громче грохот и тем быстрее мигает белый свет.

Мы находимся в подвальном помещении без окон в кампусе Технологического института Джорджии в Атланте. Рядом стоят трое исследователей со свежими лицами в белых халатах, наблюдая и улыбаясь. Один держит клавиатуру, а другой кусок красно-желтой ткани.

Встряхивая красный шар внутри прозрачного контейнера, ученый генерирует статическое электричество, которое теоретически могло бы привести в действие города. (Кредит: Цзинь Ливанг / Синьхуа / Alamy Live News)

«В нашей среде все движется, все меняется», — говорит Ван, все еще дрожа.«Это вся энергия, и так много тратится впустую». Он хочет что-то с этим сделать. В течение последних полутора десятилетий Ван, инженер-электрик и нанотехнолог, искал способы убрать энергию из движений обычной жизни.

Его время как нельзя лучше. Проблема с энергией велика: нам нужна энергия в больших дозах, чтобы поддерживать освещение в наших городах и автомобили, и нам нужно электричество в малых дозах — в большом количестве — для подзарядки батарей в наших телефонах, фитнес-трекерах и планшетах.У этих требований есть цена. В прошлом году в Соединенных Штатах около двух третей общего спроса на энергию требовало сжигания ископаемых видов топлива, таких как уголь и природный газ, — процесса, при котором в атмосферу выделяется углекислый газ и другие парниковые газы, которые меняют климат.

Возобновляемые источники энергии, включая солнце, ветер и воду, обеспечивают еще около 17 процентов от общего спроса на энергию. Но использование сил природы связано с огромными проблемами, которые в настоящее время не решены.Даже велосипедным фарам и эллиптическим тренажерам, которые преобразуют упражнения в электричество, для работы требуется много OOMPH.

Вместо этого Ван является пионером в инженерных разработках по выработке электроэнергии с небольшой мощностью. Как по следам. Или капли дождя, падающие на машину. Или усилие, необходимое для нажатия клавиш на клавиатуре. Или небольшие колебания рубашки, которую носят в течение дня. Эти обычные движения и другие могут заряжать наши устройства и освещать наши дома.

Новаторская работа Чжун Линь Вана с трибоэлектричеством привела к таким изобретениям, как небольшой генератор, питающий эту матрицу из 1000 светодиодных ламп, активируемых легким прикосновением к ноге.(Кредит: Роб Фелт / Технологический институт Джорджии)

В эту пластиковую сферу в руке Ванга встроен генератор, который использует дешевые, легкодоступные материалы для производства тока. Концепция проста, но это своего рода инженерная простота, которая, тем не менее, требует десятилетий исследований, проб и ошибок, и ошибок, и ошибок, и ошибок. Такой генератор, по словам Ванга, может позволить клавиатуре собирать энергию от нажатия клавиш или превратить одежду в миниатюрную электростанцию.

Последние полтора десятилетия Ван, инженер-электрик и нанотехнолог, искал способы убрать энергию из движений обычной жизни.

Идея Вана нова в том смысле, что исследователи только начали ее изучать и понимать, но в другом смысле она довольно старая. Он использует так называемый трибоэлектрический эффект. Вы уже знаете о трибоэлектричестве, хотя и не по названию. Так мы объясняем, почему одежда слипается после того, как она упала в сушилку, или почему зимой нас поражают неожиданные удары.

Более распространенное название трибоэлектричества — статическое электричество.

Сбор искр

«Трибоэлектрический эффект» описывает то, что происходит, когда два разнородных материала трутся друг о друга и обмениваются зарядами, оставляя один более положительным, а другой — более отрицательным.(Трибо- происходит от греческого слова, означающего «тереть».) Это искра, которая летит от кончика пальца к дверной ручке после того, как вы шаркаете по ковру в носках в холодный и сухой день.

«Идея состоит в том, чтобы собрать эти искры», — говорит микроинженер Юрген Бруггер из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии. Он начал исследовать схемы сбора энергии с использованием трибоэлектрических материалов около двух лет назад, услышав о работе Вана.

Удар, который вы можете получить от дверной ручки в сухой день, является результатом трибоэлектрического эффекта, более известного как статическое электричество.(Кредит: Emri Terim / Shutterstock)

Древние греки заметили, что после протирания кусочка янтаря мехом животного затвердевший древесный сок притягивает пыль и другие мелкие частицы. Слово электрический, придуманное елизаветинским ученым Уильямом Гилбертом, говорит об этом происхождении: оно восходит к электрону, что по-гречески означает янтарь. Школьные учителя используют ту же демонстрацию янтаря на меху, чтобы познакомить с основами электричества, показывая, что два натертых янтарных стержня будут отталкивать друг друга. Скучающие дети на вечеринках по случаю дня рождения натирают головы воздушными шарами, чтобы волосы встали дыбом и чтобы воздушные шары прилипали к стенам.

Чудо статического электричества когда-то казалось многообещающим шагом вперед в великой электрификации мира. В 1663 году прусский ученый Отто фон Герике, который также был мэром Магдебурга, генерировал жуткие желтые искры, потирая руками вращающийся серный шар. Его изобретение часто называют первым электростатическим генератором, и, как сообщается, некоторые жители Магдебурга считали своего мэра способным к магии. В последующие столетия люди использовали электростатические генераторы для самых разных, иногда сомнительных, применений, от «электрических ванн» для лечения двигательных нарушений и отравления свинцом до электризации — некоторые могли бы сказать, электрошока — растений.

Свечение трибоэлектричества в конце концов погасло. В 1831 году британский физик Майкл Фарадей представил первый электромагнитный генератор, который использует движущийся магнит для индукции электрического тока в спиральном проводе. Это все изменило. Сегодня генераторы на угольных электростанциях, ветряных турбинах, атомных электростанциях и плотинах гидроэлектростанций — в основном все, что работает путем преобразования физического движения в электричество — имеют в основе электромагнитный генератор.

Только копировальные аппараты все еще используют статическое электричество в виде распределенных зарядов для нанесения чернил на бумагу.По большей части это было превращено в повседневную неприятность, которая находится где-то между слегка раздражающим и чрезвычайно опасным. Спускаемся по пластиковым горкам и при соскоке получаем шок; нам говорят не пользоваться мобильными телефонами и не садиться в машины при заправке бензина, потому что случайные заряды могут вызвать испарения. Молния, наиболее сильное проявление статического электричества, ежегодно убивает десятки людей в США.

(Источник: Emri Terim / Shutterstock)

До 2010 года Ван почти не задумывался о статическом электричестве.Он никогда не хотел разжечь энергетическую революцию. Но то, что он называет счастливой случайностью в лаборатории, показало, что трибоэлектрические материалы могут производить большие напряжения, что поставило ученого на путь их сбора.

Шокирующее начало

В начале своей карьеры Ван был мотивирован открытием новых материалов и новых явлений, «независимо от того, было ли у них применение», — говорит он. Но это мнение изменилось в конце 1980-х, когда он начал работать в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси и увидел, что ученые используют новые материалы для решения реальных проблем.К тому времени, когда в 1995 году он перешел в Технологический институт Джорджии, где он и работает с тех пор, его работа имела четкую цель. «Я хотел изучать только те материалы, которые действительно приносили пользу», — говорит он. Его новые проекты всегда начинаются с одного и того же вопроса: для чего это можно использовать?

TENG, или трибоэлектрические наногенераторы, используют небольшие искры статического электричества. Когда два материала сжимаются, они обмениваются зарядами, и соединенные электроды могут превратиться в электрический ток. (Предоставлено: Элисон Макки / Discover)

В 2005 году Ван сконцентрировал свою лабораторию на разработке устройств, которые могли бы работать самостоятельно.Он работал с пьезоэлектрическими кристаллами, которые генерируют искры при изгибе, сжатии или иной деформации. Впервые они были идентифицированы мужем Марии Кюри более 100 лет назад, но материалы, как правило, хрупкие, и с ними трудно работать.

Восемь лет назад Ван и его аспиранты тестировали устройство, своего рода электрический бутерброд, сделанный из тонких пластинок пьезоэлектрических материалов. У инженеров возникли проблемы с удалением всех воздушных зазоров между слоями, которые, как они предполагали, будут препятствовать электрическому потоку устройства.Однако при испытании конструкции было зафиксировано более высокое напряжение — в три-пять раз выше, чем они ожидали.

Исследователь использует TENG для питания научного калькулятора. (Кредит: Лаборатория Чжун Линь Ван)

«Мы думали, что это должен быть артефакт тестирования», — говорит Ван, имея в виду экспериментальную ошибку. Оказалось, что остались какие-то воздушные зазоры, что означало, что виновато нечто иное, чем пьезоэлектрический эффект. Команда поняла, что напряжение должно возникать в результате обмена зарядами при трении материалов друг о друга: статическое электричество.Это осознание стало определяющим событием в исследованиях Ванга.

Много не нужно

К 2012 году группа Вана разработала первый трибоэлектрический наногенератор (TENG). Несмотря на миниатюрное название, размеры генераторов варьируются от нескольких миллиметров до метра; «нано» относится к размеру зарядов. С тех пор лаборатория Вана разработала и протестировала десятки потенциальных приложений для этих устройств сбора энергии. Он также побудил несколько групп и тысячи исследователей по всему миру создавать свои собственные приложения.Идеи для рабочих TENG варьируются от аудиодинамиков на бумажной основе, которые заряжаются, когда они сложены и заправлены в обувь, до генераторов, которые преобразуют механический подъем и падение дыхания для питания кардиостимулятора.

TENG основан на том же принципе, что и статическое электричество: когда два разных материала соприкасаются, электрические заряды могут накапливаться на одном, оставляя другой с противоположным зарядом. В случае с пластиковой сферой в руке Ванга, заряды накапливаются, когда внутренний и внешний шарики соприкасаются и разделяются снова и снова.Присоедините электроды и провода к противоположно заряженным материалам, и ток потечет, чтобы исправить дисбаланс. Это не будет большим потоком, но многим приложениям и не нужно много.

(Источник: Элисон Макки / Discover; фото любезно предоставлены Чжун Линь Ван)

Большинство исследователей согласны с тем, что трибоэлектрические генераторы имеют наибольший потенциал, когда дело доходит до питания небольших устройств, таких как телефоны и часы, но Ван хочет добиться большего. Его команда недавно отнесла несколько десятков этих пластиковых сфер к соседнему бассейну — в нерабочее время — и заставила их колебаться в ряби.Даже малейшее покачивание производило достаточно энергии для питания небольших фонарей или устройств. Их расчеты показывают, что сетка из 1000 сфер, свободно плавающих в океане, должна генерировать достаточно энергии для стандартной лампочки. Электросеть размером около трети квадратной мили могла бы обеспечить энергией небольшой город.

Ван не хочет останавливаться на достигнутом; он видит потенциал для множества непроверенных возможностей. Представьте себе матрицу этих сфер, покрывающую площадь океана, равную штату Джорджия, и простирающуюся примерно на 30 футов вниз.Это примерно квадриллион сфер.

«Если мы воспользуемся этим, — говорит он своим требовательным яростным шепотом, — то произведенная энергия будет использоваться для всего мира».

Трибоэлектрическая волна

Исследования трибоэлектрических наногенераторов (TENG), которые используют повседневное статическое электричество для питания устройств, выходят за рамки лаборатории Чжун Линь Ванга.

«Многие исследовательские группы по всему миру, из академических кругов и промышленности, спешат к исследованиям TENG для автономных датчиков Интернета вещей, электроники и приложений для здравоохранения», — говорит инженер-электрик Санг-Ву Ким, профессор южнокорейского университета. Sungkyunkwan University.

В ответ на первоначальное исследование Вана группа Кима была следующей, кто начал заниматься TENG. В 2015 году они представили материал, в котором используются трибоэлектрические нити — одежда из этого материала может заряжать умные часы всего через несколько часов ношения. В 2017 году они последовали за эластичной тканью на основе TENG. В статье, опубликованной в ACS Nano, обсуждаются относительные энергетические достоинства трикотажных и тканых тканей.

Нельсон Сепульведа хочет дать миру энергию с помощью FENG — ферроэлектретных наногенераторов.(Кредит: Университет штата Мичиган)

Рамакришна Подила из Университета Клемсона занимается разработкой этих технологий в течение четырех лет. Недавно он представил систему беспроводной генерации энергии на основе TENG, в которой в качестве одного из электродов используется PLA, обычный биоразлагаемый полимер. В лабораторных испытаниях они обнаружили, что он может заряжать другое устройство по воздуху на расстоянии до 16 футов.

Группа микроинженера Юргена Бруггера в Швейцарии занимается разработкой гибридных генераторов, в которых сочетаются трибоэлектрические и пьезоэлектрические материалы.(Пьезоэлектрические материалы генерируют ток при изгибе или деформации.) «Если кто-то хочет получить максимальную энергию от любой части устройства, он должен комбинировать эти различные механизмы сбора», — говорит он.

Нельсон Сепульведа из Университета штата Мичиган разделяет видение Вангом мира, богатого растрачиваемой, собираемой энергией. В конце 2016 года он развил идею, разработав FENG — сегнетоэлектретный наногенератор. Он работает в основном так же, как TENG, за исключением того, что вам не нужно ничего делать для создания заряда; в материалы уже могли быть встроены электрические заряды.Когда заряженные материалы сжимаются, электрические заряды перемещаются, создавая дисбаланс, который производит ток.

Группа Сепульведы использовала FENG для создания флага штата Мичиган, который собирает энергию, развеваясь на ветру, — затем он может использоваться как громкоговоритель, который воспроизводит школьную боевую песню. Он также мог работать в другом направлении, как микрофон. Как и группа Вана, они также разработали клавиатуру, которая собирает энергию нажатия клавиш с помощью статического электричества.

Future Shock

Трибоэлектричество предлагает четкий способ решения существующих энергетических проблем с помощью материалов. «Если вам не нужен новый материал, зачем его изобретать?» — размышляет Рамакришна Подила, физик из Университета Клемсона в Южной Каролине. И это решение вскоре может появиться в ближайшем к вам гаджете.

В Китае начинающая компания Вана, NairTENG, уже продает воздушные фильтры с трибоэлектрическим приводом, и в ближайшие два года планирует выпустить обувь на основе TENG с портами для зарядки ваших устройств.Скоро появится возможность заряжать аккумулятор телефона, просто прогуливаясь. По прогнозам Ванга, трибоэлектрические устройства могут появиться в США в течение пяти лет.

Однако, как и в случае со многими новыми технологиями, успех или неудача трибоэлектриков в качестве основного источника энергии зависит от того, насколько хорошо их приложения могут масштабироваться и выдерживать более сложные условия, чем в чистой лаборатории. Пластиковые сферы Ванга должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять стихиям, и быть специально разработанными, чтобы не мешать морской жизни.К тому же неясно, могут ли они быть произведены в тех огромных количествах, в которых нуждается Ванга.

(Источники, по часовой стрелке слева: Роб Фелт, Технологический институт Джорджии, Лаборатория Чжун Линь Ван, Технологический институт Джорджии)

Некоторые исследователи даже не уверены, что за пределами портативных устройств у трибоэлектриков есть большое будущее. Но, возможно, самый большой нерешенный вопрос, связанный с TENG, — это почему они вообще работают. Учителя физики в средней школе и профессора колледжей говорят студентам, что обмен материалами платный, ссылаясь на такие термины, как сродство к электрону.Но на самом деле, говорит Подила, ученые не понимают, почему движутся эти заряды. Некоторые физики думают, что отдельные заряженные частицы, как электроны, прыгают с одного материала на другой; другие утверждают, что прыжки совершают целые заряженные молекулы, называемые ионами. Третьи предполагают, что крошечные фрагменты одного материала отламываются друг от друга, унося с собой свои заряды.

«Фундаментальная наука практически неизвестна», — говорит Подила. Хотя сейчас это не проблема, непонимание основ может помешать ученым создавать более эффективные комбайны для сбора энергии и способствовать решению мирового энергетического кризиса.

Ван согласен с тем, что понимание того, почему статическое электричество работает, является важным шагом в создании технологии, но он считает, что это преодолимое препятствие. Он не сомневается в его потенциале.

Мир потратил почти 200 лет на разработку электрических инструментов, в которых используются идеи Фарадея об электромагнетизме, превращая движение в электричество. Для Вана трибоэлектричество как источник энергии — это новое слово: «Это только начало».

---

Стивен Орнес живет и пишет в Нэшвилле, штат Теннеси.Посетите его онлайн на stephenornes.com. Эта история первоначально была напечатана как «Поглотители энергии».