O ESD

Elektryczność statyczna

Elektryczność statyczna jest zjawiskiem powszechnym, a związana jest z powstaniem nadmiarowych ładunków elektrycznych. Nadmiarowe ładunki elektrostatyczne powstają podczas tarcia, rozdzielania lub indukcji. Wyładowania elektrostatyczne niosą za sobą negatywne skutki zarówno dla człowieka jak i urządzeń (szczególnie urządzeń elektronicznych) i wyrobów. Wyładowania elektrostatyczne niosą zagrożenie wybuchu i pożaru w strefach potencjalnie wybuchowych oraz zniszczenia przyrządów czułych na wyładowania (tzw. ESDS).

Wraz ze wzrostem produkcji tworzyw sztucznych na poziomie: 1 mln ton w 1950 roku, 100 mln ton w 1990 roku, 265 mln ton w 2010 roku, rośnie zagrożenie ze strony elektryczności statycznej. Również ze wzrostem minimalizacji urządzeń, wzrostem zaawansowania technologicznego, rozwojem techniki oraz związanym z tym pojawianiem się stref zagrożonych wybuchem wzrasta ryzyko niszczących skutków wyładowania elektrostatycznego. W elektrostatyce wprowadzono podział materiałów na trzy grupy: materiały przewodzące, materiały rozpraszające i izolatory. Kryterium podziału jest rezystancja powierzchniowa (RS): materiały przewodzące wykazują rezystancję powierzchniową <105Ω, materiały rozpraszające >105Ω i <109Ω a izolatory >109Ω.
Tworzywa sztuczne, które zakwalifikowano do izolatorów elektrycznych, są coraz częściej stosowane z uwagi na o wiele niższe koszty.

Wprowadzenie do elektryczności statycznej

Do powstania ładunków elektrostatycznych dochodzi podczas elektryzacji. Elektryzacja, czyli rozdzielenie ładunków elektrycznych ujemnych od dodatnich, polega na wyodrębnieniu ich z materii lub oddaleniu ich od siebie. Do elektryzacji dochodzi podczas czynności takich jak: tarcie, rozdzielanie, rozbryzgiwanie, przelewanie, rozdrabnianie, przemiany termiczne, procesy mechaniczne, zmiany stanów skupienia, indukcja elektryczna. Wszystkie te zjawiska można łatwo zidentyfikować nie tylko w życiu codziennym, ale również w wielu procesach produkcyjnych i technologicznych.
W ocenie zdolności do elektryzacji przeanalizować należy szereg tryboelektryczny, czyli uporządkowanie materiałów pod względem biegunowości i wielkości ładunku elektrycznego wytwarzanego podczas metod kontaktowo-tarciowych. Niektóre materiały łatwiej tracą elektrony, inne łatwiej je gromadzą.

Rysunek 1. Szereg tryboelektryczny

Badania nad szeregiem tryboelektrycznym (rysunek 1) prowadził Cohen w XIX wieku. Badania były prowadzone w celu wskazania, które elementy elektryzują się znakiem dodatnim, a które ujemnym. Cohen uznał, że o znaku elektryzacji decyduje stała dielektryczna - im jest większa, tym ciała bardziej elektryzują się ładunkiem dodatnim.

Elektryzacja kontaktowo-tarciowa

Najpowszechniejszym sposobem elektryzacji jest elektryzacja przez tarcie i kontakt, nazywana również metodą kontaktowo-tarciową lub stykową. Na granicy styku dwóch ciał dochodzi do wymiany elektronów – tak zwana warstwa podwójna. W następstwie rozdzielenia tych ciał, na jednym z nich wystąpi nadmiar elektronów (ładunki ujemne), natomiast na drugim ciele wystąpi niedomiar elektronów (ładunki dodatnie). Ilość powstałych nadmiarowych ładunków uzależniona jest od właściwości powierzchni, rodzaju materiału, docisku oraz parametrów otoczenia.
W czasie rozdzielania - zgodnie z zasadą szeregu tryboelektrycznego - w zależności od charakteru powinowactwa elektronowego, materiały oddają lub przyjmują elektrony, doprowadzając do powstania nierównowagi elektrycznej w materiałach – w jednym przewagi elektronów, a w drugim ich niedomiaru. Przykładem może być odrywanie stóp od podłoża (rysunek 2) lub otwieranie książki oprawionej oprawką foliową.

Rysunek 2. Przykład elektryzacji przez kontakt - odrywanie stóp od podłoża

Elektryzacja przez tarcie, podobnie jak przez kontakt, związana jest z szeregiem tryboelektrycznym. Wskutek tarcia mechanicznego dochodzi do przechodzenia ładunków elektrycznych między ciałami – w wyniku tego ciała elektryzują się nadmiarowym ładunkiem elektryczny.

Elektryzacja przez ulot

Kolejną metodą elektryzacji, jest elektryzacja ulotem. Do elektryzacji ulotem dochodzi w polu elektrycznym. Materiał będący pod wpływem pola elektrycznego absorbuje na swojej powierzchni ładunki elektrostatyczne. Powietrze i inne gazy (jeżeli w nich jest elektryzowany materiał) nie są przewodzące, ale wskutek silnego pola elektrycznego wywołanego na przykład przyłożonym wysokim napięciem, zaczynają przewodzić. Na materiale izolacyjnym elektrostatycznie będącym w otoczeniu jonów, zaczną gromadzić się ładunki elektrostatyczne. Do ulotu może dojść przy spełnieniu kilku warunków: napięcie musi być większe niż wartość progowa napięcia przebicia lub natężenia pola danego gazu, kształt i rozmiar elektrody ulotowej musi być odpowiedni.

Elektryzacja przez indukcję

Elektryzować przez indukcję mogą się tylko materiały przewodzące ładunki elektryczne: przewodniki i materiały rozpraszające. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrostatycznego w materiale przewodzącym wytwarza się dipol, a ładunki gromadzą się na powierzchni materiału przewodzącego - zgodnie z zasadą przyciągania różnoimiennych ładunków i odpychania jednoimiennych ładunków. Na materiale przewodzącym wyindukuje się ładunek tylko wtedy, gdy jest on w polu elektrycznym.

Naelektryzowany obiekt jest w stanie naelektryzować przewodnik, wytwarzając na nim dipol poprzez doprowadzenie do rozdziału ładunków: jednoimienne się odpychają, różnoimienne się przyciągają. Przykładowy przebieg elektryzacji przez indukcję przedstawiono na rysunku 3. Wskutek uziemienia i odprowadzenia ładunku jednoimiennego z materiału będącego dipolem, przewodnik elektryzuje się jednoimiennie.

Rysunek 3. Elektryzacja przez indukcję

Wyładowania elektrostatyczne

Wyładowanie elektrostatyczne jest krótkim impulsem prądowym, pojawiającym się zazwyczaj pomiędzy obiektami o dużej różnicy potencjałów elektrostatycznych. Czas trwania wyładowania jest krótki, dochodzi do powstawania impulsów o bardzo dużych mocach, mogących doprowadzić do zapłonu atmosfer wybuchowych, rażenia pracowników, uszkodzeń przyrządów elektronicznych.

Do wyładowania elektrostatycznego dochodzi przy powstaniu dużej różnicy potencjałów. Napięcie przebicia powietrza wynosi około 32 kV/m, a więc do wyładowania
w nim dojdzie w przypadku, gdy różnica potencjałów między ciałami przekroczy wartość tego napięcia. Do wyładowania nie dojdzie w sytuacji gdy obiekt jest silnie naelektryzowany, ale nie istnieje różnica potencjałów między nim a drugim obiektem.

Zagrożenia i regulacje w przemyśle

Przedstawiony poniżej podział jest podziałem własnym autora, opartym na analizie literatury, głównie aktów prawa europejskiego, polskiego i norm.
Zagrożenia związane z elektrycznością statyczną rozważać można w następujących obszarach:
- komfort i bezpieczeństwo człowieka,
- przemysł elektroniczny i wytwarzający elementy wrażliwe na wyładowania typu ESDS,
- przemysł,
- atmosfery wybuchowe, w tym górnictwo węgla kamiennego,
- sale operacyjne.

Pierwszy obszar zagrożeń to komfort człowieka i jego bezpieczeństwo. Obszar komfortu nie jest uregulowany ani aktami prawnymi ani normami - nie wyznaczono żadnych kryteriów oraz metod badań parametrów elektrostatycznych. Stosowanie obuwia bądź odzieży klasyfikowanych jako izolator lub materiał rozpraszający, zależy tylko od danej osoby. W tym obszarze często człowiek jest naelektryzowany, dochodzi do wyładowań elektrostatycznych i w konsekwencji do wypadków, nawet śmiertelnych. Dla przykładu można podać uszkodzenie kończyn wskutek upadku będącego efektem odruchu bezwarunkowego po wyładowaniu z ciała człowieka do metalowej poręczy (człowiek w izolujących butach w czasie chodzenia uległ naelektryzowaniu).

Drugi obszar zagrożeń obejmuje ochronę przyrządów elektronicznych i wrażliwych na wyładowania elektrostatyczne, tak zwanych obiektów typu ESDS. Jest to obszar bogaty
w normy (rodzina norm serii PN-EN 61340 i IEC 61340).

Trzeci obszar zagrożeń obejmuje przemysł, głównie związany z materiałami niebezpiecznymi i palnymi. Bezpieczeństwo człowieka w pracy w zakresie ochrony przed elektrycznością statyczną, reguluje w prawie europejskim dyrektywa 2006/42/WE dotycząca maszyn, a w prawie polskim rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21.10.2008 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla maszyn [Dz. U. z 2008 r. Nr 199, poz. 1228].

Czwarty obszar zagrożeń dotyczy stref zagrożonych wybuchem. Jest on najbardziej restrykcyjny, a określone dla niego parametry antystatyczne wynikają z dyrektyw Unii Europejskiej, rozporządzeń właściwych ministrów oraz norm, jako aktów wykonawczych. Kontrola właściwości elektrostatycznych materiałów, ich ocena oraz posiadanie certyfikatu, są niezbędne w przypadku stosowania ich w strefach zagrożonych wybuchem.

Nowym, piątym obszarem zagrożeń, będącym przedmiotem zainteresowania specjalistów od elektryczności statycznej jest medycyna, w tym głównie miejsca gdzie są prowadzone badania tomografem komputerowym, rezonansem magnetycznym, itp. W miejscach tych występują silne pola i promieniowanie elektromagnetyczne, dlatego wskazane jest, aby powierzchnie robocze, w tym podłogi oraz obuwie pracowników były antystatyczne. W każdym z opisanych obszarów, nadzór nad kontrolą parametrów elektrostatycznych wykorzystywanych materiałów i wyrobów, jest zróżnicowany.

Wraz ze wzrostem udziału tworzyw sztucznych, jako surowca w produkcji materiałów codziennego użytku oraz wzrostem ilości obiektów wrażliwych na wyładowanie elektrostatyczne (ESDS), konieczne jest zapobieganie nadmiernej elektryzacji tych materiałów. Również w górnictwie węgla kamiennego wykorzystuje się wyroby wykonane
z tworzyw sztucznych. Zapobieganie powstawaniu nadmiarowych ładunków elektryczności statycznej jest realizowane poprzez środki zaradcze, głównie realizację procesu antystatyzacji.