Elettricità statica - Static electricity

Il contatto con il vetrino ha lasciato i capelli di questo bambino caricati positivamente in modo che i singoli capelli si respingano l'un l'altro. I capelli possono anche essere attratti dalla superficie del vetrino caricata negativamente.

L'elettricità statica è uno squilibrio di cariche elettriche all'interno o sulla superficie di un materiale. La carica rimane finché non è in grado di allontanarsi per mezzo di una corrente elettrica o di una scarica elettrica . L'elettricità statica è denominata in contrasto con l'elettricità corrente , che scorre attraverso fili o altri conduttori e trasmette energia .

Una carica elettrica statica si può creare ogni volta che due superfici entrano in contatto e si sono consumate e separate, e almeno una delle superfici ha un'elevata resistenza alla corrente elettrica (ed è quindi un isolante elettrico ). Gli effetti dell'elettricità statica sono familiari alla maggior parte delle persone perché le persone possono sentire, sentire e persino vedere la scintilla mentre la carica in eccesso viene neutralizzata quando viene avvicinata a un grande conduttore elettrico (ad esempio, un percorso verso terra) o una regione con una carica in eccesso della polarità opposta (positiva o negativa). Il noto fenomeno di uno shock statico, in particolare una scarica elettrostatica  , è causato dalla neutralizzazione di una carica.

cause

I materiali sono costituiti da atomi che normalmente sono elettricamente neutri perché contengono un numero uguale di cariche positive ( protoni nei loro nuclei ) e cariche negative ( elettroni in " gusci " che circondano il nucleo). Il fenomeno dell'elettricità statica richiede una separazione delle cariche positive e negative. Quando due materiali sono in contatto, gli elettroni possono spostarsi da un materiale all'altro, lasciando un eccesso di carica positiva su un materiale e una uguale carica negativa sull'altro. Quando i materiali sono separati mantengono questo squilibrio di carica.

Separazione di carica indotta dal contatto

Noccioline di polistirolo attaccate al pelo di un gatto a causa dell'elettricità statica. Questo effetto è anche la causa dell'elettricità statica nei vestiti.

Gli elettroni possono essere scambiati tra materiali a contatto; i materiali con elettroni debolmente legati tendono a perderli mentre i materiali con gusci esterni scarsamente riempiti tendono ad acquisirli. Questo è noto come effetto triboelettrico e fa che un materiale si carichi positivamente e l'altro si carichi negativamente. La polarità e la forza della carica su un materiale una volta separati dipende dalle loro posizioni relative nella serie triboelettrica . L'effetto triboelettrico è la causa principale dell'elettricità statica osservata nella vita di tutti i giorni e nelle comuni dimostrazioni scientifiche delle scuole superiori che comportano lo sfregamento di materiali diversi (ad esempio, la pelliccia contro un'asta acrilica). La separazione della carica indotta dal contatto fa alzare i capelli e provoca " adesione statica " (ad esempio, un palloncino strofinato contro i capelli si carica negativamente; quando vicino a un muro, il palloncino carico viene attratto da particelle cariche positivamente nel muro e può "aggrapparsi" ad esso, sembrando sospeso contro la gravità).

Separazione di carica indotta dalla pressione

Lo stress meccanico applicato genera una separazione di carica in alcuni tipi di cristalli e molecole di ceramica .

Separazione di carica indotta dal calore

Il riscaldamento genera una separazione di carica negli atomi o nelle molecole di determinati materiali. Tutti i materiali piroelettrici sono anche piezoelettrici. Le proprietà atomiche o molecolari della risposta al calore e alla pressione sono strettamente correlate.

Separazione di carica indotta dalla carica

Un oggetto carico avvicinato a un oggetto elettricamente neutro provoca una separazione di carica all'interno dell'oggetto neutro. Le cariche della stessa polarità vengono respinte e le cariche della polarità opposta vengono attratte. Poiché la forza dovuta all'interazione delle cariche elettriche diminuisce rapidamente con l'aumentare della distanza, l'effetto delle cariche più vicine (polarità opposta) è maggiore e i due oggetti sentono una forza di attrazione. L'effetto è più pronunciato quando l'oggetto neutro è un conduttore elettrico poiché le cariche sono più libere di muoversi. Un'attenta messa a terra di una parte di un oggetto con una separazione di carica indotta dalla carica può aggiungere o rimuovere permanentemente elettroni, lasciando l'oggetto con una carica globale e permanente. Questo processo è parte integrante del funzionamento del generatore Van de Graaff , un dispositivo comunemente usato per dimostrare gli effetti dell'elettricità statica.

Rimozione e prevenzione

Una scheda di rete all'interno di un sacchetto antistatico .

Rimuovere o prevenire un accumulo di carica statica può essere semplice come aprire una finestra o utilizzare un umidificatore per aumentare il contenuto di umidità dell'aria, rendendo l'atmosfera più conduttiva. Gli ionizzatori d'aria possono svolgere lo stesso compito.

Gli articoli particolarmente sensibili alle scariche elettrostatiche possono essere trattati con l'applicazione di un agente antistatico , che aggiunge uno strato superficiale conduttivo che assicura una distribuzione uniforme della carica in eccesso. Gli ammorbidenti ei fogli per asciugatrici utilizzati nelle lavatrici e nelle asciugatrici sono un esempio di agente antistatico utilizzato per prevenire e rimuovere l' adesione statica .

Molti dispositivi a semiconduttore utilizzati nell'elettronica sono particolarmente sensibili alle scariche elettrostatiche. I sacchetti antistatici conduttivi sono comunemente usati per proteggere tali componenti. Le persone che lavorano su circuiti che contengono questi dispositivi spesso si mettono a terra con una cinghia conduttiva antistatica .

Negli ambienti industriali come gli impianti di verniciatura o farina, nonché negli ospedali, a volte vengono utilizzati stivali di sicurezza antistatici per prevenire l'accumulo di carica statica a causa del contatto con il pavimento. Queste scarpe hanno suole con una buona conduttività. Le scarpe antistatiche non devono essere confuse con le scarpe isolanti, che forniscono esattamente il vantaggio opposto: una protezione contro gravi scosse elettriche dalla tensione di rete .

Scarica statica

La scintilla associata all'elettricità statica è causata da scariche elettrostatiche, o semplicemente scariche statiche, poiché la carica in eccesso viene neutralizzata da un flusso di cariche da o verso l'ambiente circostante.

La sensazione di una scossa elettrica è causata dalla stimolazione dei nervi mentre la corrente neutralizzante scorre attraverso il corpo umano. L'energia immagazzinata come elettricità statica su un oggetto varia a seconda delle dimensioni dell'oggetto e della sua capacità , della tensione a cui è caricato e della costante dielettrica del mezzo circostante. Per modellare l'effetto della scarica statica su dispositivi elettronici sensibili, un essere umano è rappresentato come un condensatore di 100 picofarad , caricato a una tensione da 4000 a 35000 volt. Quando si tocca un oggetto questa energia viene scaricata in meno di un microsecondo. Sebbene l'energia totale sia piccola, dell'ordine dei millijoule , può comunque danneggiare i dispositivi elettronici sensibili. Gli oggetti più grandi immagazzineranno più energia, che può essere direttamente pericolosa per il contatto umano o che può dare una scintilla che può incendiare gas o polvere infiammabili.

Fulmine

Scarica statica naturale

Il fulmine è un drammatico esempio naturale di scarica statica. Sebbene i dettagli non siano chiari e rimangano oggetto di dibattito, si pensa che la separazione iniziale della carica sia associata al contatto tra le particelle di ghiaccio all'interno delle nuvole temporalesche. In generale, accumuli di carica significativi possono persistere solo in regioni a bassa conduttività elettrica (pochissime cariche libere di muoversi nell'ambiente circostante), quindi il flusso di cariche neutralizzanti spesso deriva da atomi e molecole neutri nell'aria che vengono strappati per formare positivi separati e cariche negative, che viaggiano in direzioni opposte come corrente elettrica, neutralizzando l'accumulo originario di carica. La carica statica nell'aria si decompone tipicamente in questo modo a circa 10.000 volt per centimetro (10 kV/cm) a seconda dell'umidità. La scarica surriscalda l'aria circostante causando il lampo luminoso e produce un'onda d'urto che causa il clic. Il fulmine è semplicemente una versione ingrandita delle scintille viste in più eventi domestici di scariche statiche. Il flash si verifica perché l'aria nel canale di scarica viene riscaldata a una temperatura così elevata da emettere luce per incandescenza . Il tuono è il risultato dell'onda d'urto creata quando l'aria surriscaldata si espande in modo esplosivo.

Componenti elettronici

Molti dispositivi a semiconduttore utilizzati in elettronica sono molto sensibili alla presenza di elettricità statica e possono essere danneggiati da una scarica statica. L'uso di un cinturino antistatico è obbligatorio per i ricercatori che manipolano i nanodispositivi. Ulteriori precauzioni possono essere prese togliendosi le scarpe con suola spessa in gomma e rimanendo permanentemente su un terreno metallico.

Accumulo di elettricità statica in fluidi infiammabili e materiali infiammabili

L'elettricità statica è un grave pericolo durante il rifornimento di carburante a un aereo.

La scarica di elettricità statica può creare gravi rischi in quei settori che trattano sostanze infiammabili, dove una piccola scintilla elettrica potrebbe innescare miscele esplosive.

Il movimento fluido di sostanze finemente polverizzate o fluidi a bassa conduttività nei tubi o tramite agitazione meccanica può generare elettricità statica. Il flusso di granuli di materiale come la sabbia lungo uno scivolo di plastica può trasferire carica, che può essere facilmente misurata utilizzando un multimetro collegato a una lamina metallica che riveste lo scivolo a intervalli, e può essere approssimativamente proporzionale al flusso di particolato. Le nuvole di polvere di sostanze finemente polverizzate possono diventare combustibili o esplosive. Quando c'è una scarica statica in una nuvola di polvere o vapore, si sono verificate esplosioni. Tra i principali incidenti industriali avvenuti ci sono: un silo di grano nel sud-ovest della Francia, un impianto di verniciatura in Thailandia, una fabbrica che produce modanature in fibra di vetro in Canada, un'esplosione di un serbatoio di stoccaggio a Glenpool , Oklahoma nel 2003, e un'operazione di riempimento del serbatoio portatile e un cisterna a Des Moines , Iowa e Valley Center, Kansas nel 2007.

La capacità di un fluido di trattenere una carica elettrostatica dipende dalla sua conduttività elettrica. Quando fluidi a bassa conduttività fluiscono attraverso le tubazioni o vengono agitati meccanicamente, si verifica la separazione della carica indotta dal contatto chiamata elettrificazione del flusso . I fluidi che hanno una bassa conduttività elettrica (inferiore a 50 picosiemens per metro), sono chiamati accumulatori. I fluidi che hanno una conduttività superiore a 50 pS/m sono chiamati non accumulatori. Nei non accumulatori, le cariche si ricombinano con la stessa rapidità con cui vengono separate e quindi l'accumulo di cariche elettrostatiche non è significativo. Nell'industria petrolchimica , 50 pS/m è il valore minimo raccomandato di conduttività elettrica per un'adeguata rimozione di carica da un fluido.

I cheroseni possono avere una conduttività che va da meno di 1 picosiemens per metro a 20 pS/m. Per confronto, l'acqua deionizzata ha una conduttività di circa 10.000.000 pS/m o 10 µS/m.

L'olio per trasformatori fa parte del sistema di isolamento elettrico di grandi trasformatori di potenza e altri apparecchi elettrici. Il riempimento di apparecchiature di grandi dimensioni richiede precauzioni contro la carica elettrostatica del fluido, che potrebbe danneggiare l'isolamento sensibile del trasformatore.

Un concetto importante per i fluidi isolanti è il tempo di rilassamento statico. Questo è simile alla costante di tempo (tau) all'interno di un circuito RC . Per i materiali isolanti, è il rapporto tra la costante dielettrica statica divisa per la conduttività elettrica del materiale. Per i fluidi idrocarburici, questo viene talvolta approssimato dividendo il numero 18 per la conduttività elettrica del fluido. Quindi un fluido che ha una conduttività elettrica di 1 pS/m ha un tempo di rilassamento stimato di circa 18 secondi. La carica in eccesso in un fluido si dissipa quasi completamente dopo quattro o cinque volte il tempo di rilassamento, o 90 secondi per il fluido nell'esempio precedente.

La generazione di carica aumenta a velocità del fluido più elevate e diametri di tubo più grandi, diventando piuttosto significativa in tubi da 8 pollici (200 mm) o più grandi. La generazione di carica statica in questi sistemi è controllata al meglio limitando la velocità del fluido. Lo standard britannico BS PD CLC/TR 50404:2003 (precedentemente BS-5958-Part 2) Codice di condotta per il controllo dell'elettricità statica indesiderata prescrive limiti di velocità del flusso delle tubazioni. Poiché il contenuto di acqua ha un grande impatto sulla costante dielettrica dei fluidi, la velocità consigliata per i fluidi idrocarburici contenenti acqua dovrebbe essere limitata a 1 metro al secondo.

Il collegamento e la messa a terra sono i modi consueti per prevenire l'accumulo di carica. Per fluidi con conduttività elettrica inferiore a 10 pS/m, il collegamento e la messa a terra non sono adeguati per la dissipazione della carica e potrebbero essere necessari additivi antistatici.

Operazioni di rifornimento

Il movimento fluido di liquidi infiammabili come la benzina all'interno di un tubo può accumulare elettricità statica. Liquidi non polari come benzina , toluene , xilene , diesel , cherosene e oli grezzi leggeri mostrano una significativa capacità di accumulo e ritenzione di carica durante il flusso ad alta velocità. Le scariche elettrostatiche possono incendiare i vapori del carburante. Quando l'energia della scarica elettrostatica è sufficientemente elevata, può innescare una miscela di vapore e aria di carburante. Diversi combustibili hanno diversi limiti di infiammabilità e richiedono diversi livelli di energia di scarica elettrostatica per accendersi.

Le scariche elettrostatiche durante il rifornimento di benzina sono un pericolo presente nelle stazioni di servizio . Sono stati appiccati incendi anche negli aeroporti durante il rifornimento di cherosene agli aerei . Le nuove tecnologie di messa a terra, l'uso di materiali conduttori e l'aggiunta di additivi antistatici aiutano a prevenire o dissipare in modo sicuro l'accumulo di elettricità statica.

Il solo movimento dei gas nei tubi crea poca o nessuna elettricità statica. È previsto che un meccanismo di generazione di carica si verifichi solo quando particelle solide o goccioline liquide sono trasportate nella corrente di gas.

Nell'esplorazione dello spazio

A causa dell'umidità estremamente bassa negli ambienti extraterrestri, possono accumularsi cariche statiche molto grandi, causando un grave pericolo per la complessa elettronica utilizzata nei veicoli per l'esplorazione spaziale. L'elettricità statica è pensato per essere un particolare pericolo per gli astronauti in missioni previste per la Luna e su Marte . Camminare su un terreno estremamente secco potrebbe farli accumulare una quantità significativa di carica; allungare la mano per aprire la camera di equilibrio al loro ritorno potrebbe causare una grande scarica statica, potenzialmente danneggiando l'elettronica sensibile.

Rottura dell'ozono

Rottura dell'ozono nei tubi in gomma naturale

Una scarica statica in presenza di aria o ossigeno può creare ozono . L'ozono può degradare le parti in gomma. Molti elastomeri sono sensibili alla fessurazione dell'ozono . L'esposizione all'ozono crea profonde crepe penetranti in componenti critici come guarnizioni e O-ring . Anche le tubazioni del carburante sono suscettibili al problema a meno che non venga intrapresa un'azione preventiva. Le misure preventive includono l'aggiunta di anti-ozonanti alla miscela di gomma o l'utilizzo di un elastomero resistente all'ozono. Gli incendi causati da tubazioni del carburante rotte sono stati un problema sui veicoli, specialmente nei vani motore dove l'ozono può essere prodotto da apparecchiature elettriche.

Energie coinvolte

L'energia rilasciata in una scarica di elettricità statica può variare in un ampio intervallo. L'energia in joule può essere calcolata dalla capacità ( C ) dell'oggetto e dal potenziale statico V in volt (V) con la formula E  = ½ CV 2 . Uno sperimentatore stima la capacità del corpo umano fino a 400  picofarad e una carica di 50.000 volt, scaricata ad esempio toccando un'auto carica, creando una scintilla con un'energia di 500 millijoule. Un'altra stima è 100-300 pF e 20.000 volt, producendo un'energia massima di 60 mJ. La IEC 479 -2:1987 afferma che una scarica con energia superiore a 5000 mJ costituisce un grave rischio diretto per la salute umana. La IEC 60065 afferma che i prodotti di consumo non possono scaricare più di 350 mJ in una persona.

Il potenziale massimo è limitato a circa 35-40 kV, a causa della scarica corona che dissipa la carica a potenziali più elevati. I potenziali inferiori a 3000 volt non sono in genere rilevabili dagli esseri umani. Il potenziale massimo comunemente raggiunto sul corpo umano è compreso tra 1 e 10 kV, sebbene in condizioni ottimali si possano raggiungere fino a 20-25 kV. La bassa umidità relativa aumenta l'accumulo di carica; camminare per 20 piedi (6 m) su un pavimento in vinile con un'umidità relativa del 15% provoca un accumulo di tensione fino a 12 kV, mentre con un'umidità dell'80% la tensione è solo di 1,5 kV.

Un minimo di 0,2 millijoule può presentare un rischio di accensione; tale energia di scintilla bassa è spesso al di sotto della soglia della percezione visiva e uditiva umana.

Le energie di accensione tipiche sono:

  • 0,017 mJ per l' idrogeno ,
  • 0,2–2 mJ per i vapori di idrocarburi ,
  • 1–50 mJ per polveri fini infiammabili,
  • 40–1000 mJ per polvere grossolana infiammabile.

L'energia necessaria per danneggiare la maggior parte dei dispositivi elettronici è compresa tra 2 e 1000 nanojoule.

È necessaria un'energia relativamente piccola, spesso di appena 0,2-2 millijoule, per accendere una miscela infiammabile di combustibile e aria. Per i comuni gas idrocarburi industriali e solventi, l' energia di accensione minima richiesta per l'accensione della miscela vapore-aria è più bassa per la concentrazione di vapore all'incirca a metà tra il limite di esplosività inferiore e il limite di esplosività superiore e aumenta rapidamente quando la concentrazione si discosta da questo ottimale su entrambi i lati. Gli aerosol di liquidi infiammabili possono accendersi ben al di sotto del loro punto di infiammabilità . In genere, gli aerosol liquidi con particelle di dimensioni inferiori a 10 micrometri si comportano come vapori, mentre le particelle di dimensioni superiori a 40 micrometri si comportano più come polveri infiammabili. Le tipiche concentrazioni minime infiammabili di aerosol sono comprese tra 15 e 50 g/m 3 . Allo stesso modo, la presenza di schiuma sulla superficie di un liquido infiammabile aumenta notevolmente l'infiammabilità. Anche l'aerosol di polvere infiammabile può essere acceso, provocando un'esplosione di polvere ; il limite inferiore di esplosività è generalmente compreso tra 50 e 1000 g/m 3 ; le polveri più fini tendono ad essere più esplosive e richiedono meno energia per innescarsi. La presenza simultanea di vapori infiammabili e polveri infiammabili può diminuire significativamente l'energia di accensione; un mero 1 vol.% di propano nell'aria può ridurre di 100 volte l'energia necessaria per l'accensione della polvere. Un contenuto di ossigeno superiore al normale nell'atmosfera riduce significativamente anche l'energia di accensione.

Esistono cinque tipi di scariche elettriche :

  • Spark , responsabile della maggior parte degli incendi e delle esplosioni industriali in cui è coinvolta l'elettricità statica. Le scintille si verificano tra oggetti a diversi potenziali elettrici. Come misure di prevenzione vengono utilizzate una buona messa a terra di tutte le parti dell'apparecchiatura e le precauzioni contro gli accumuli di carica sull'apparecchiatura e sul personale.
  • La scarica a pennello si verifica da una superficie caricata non conduttiva o da liquidi non conduttivi altamente caricati. L'energia è limitata a circa 4 millijoule. Per essere pericolosa, la tensione in gioco deve essere superiore a circa 20 kilovolt, la polarità superficiale deve essere negativa, nel punto di scarica deve essere presente un'atmosfera infiammabile e l'energia di scarica deve essere sufficiente per l'accensione. Inoltre, poiché le superfici hanno una densità di carica massima, una superficie di almeno 100 cm 2 deve essere coinvolto. Questo non è considerato un pericolo per le nuvole di polvere.
  • La propagazione della scarica delle spazzole è ad alta energia e pericolosa. Si verifica quando una superficie isolante di spessore fino a 8 mm (ad esempio un rivestimento in teflon o vetro di un tubo metallico messo a terra o un reattore) è soggetta a un grande accumulo di carica tra le superfici opposte, che agisce come un condensatore di ampia area.
  • La scarica a cono , detta anche scarica a spazzola bulking , avviene su superfici di polveri cariche con resistenza superiore a 10 10  ohm, o anche in profondità attraverso la massa di polvere. Normalmente non si osservano scariche a cono in volumi di polvere inferiori a 1 m 3 . L'energia coinvolta dipende dalla granulometria della polvere e dall'ampiezza della carica e può raggiungere fino a 20 mJ. Volumi di polvere maggiori producono energie maggiori.
  • Scarica corona , considerata non pericolosa.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno