ГОСТ Р 53734.1-2014 (МЭК 61340-1:2012) Электростатика. Часть 1. Электростатические явления. Физические основы, прикладные задачи и методы измерения

     4 Основы статического электричества

4.1 Общие положения

В основном электростатические заряды на материале, изделии или объекте - это результат:

- прикосновения и трения;

- переноса заряда;

- электростатической индукции;

- поляризации;

- проявления фотоэффекта;

- проявления пироэлектрического эффекта;

- проявления пьезоэлектрического эффекта;

- ионизации и адсорбции ионов;

- электрохимических процессов.

Однако, первичным источником электростатического заряда является трибоэлектрическое заряжение. Если две первоначально незаряженные поверхности привести в соприкосновение, произойдет перенос заряда, обычно, это происходит на общей разделяющей их границе. Если газ содержит взвешенные твердые или жидкие частицы, которые становятся заряженными при соприкосновении и последующем отделении, то может показаться, что электростатически газ заряжен. При разделении каждая поверхность уносит заряды одинаковые по величине и противоположные по знаку. Проводящие или рассеивающие объекты могут стать заряженными посредством индукции под воздействием электрического поля других заряженных объектов или проводников с высоким потенциалом. Любой объект может стать заряженным, если на нем аккумулируются заряженные частицы или молекулы.

Очень важно иметь представление об этих явлениях, чтобы обеспечивать надлежащее выполнение процедур проверки и однозначную интерпретацию получаемых данных. Это также важно для выбора электродов, защиты приборов для измерения тока от начального емкостного скачка и влияния времени их инерции на результаты измерения. Инерционность измерений должна соответствовать требованиям к получаемым данным. Детальные комментарии включены в описания отдельных методов испытаний.

4.2 Контактная электризация

Контактная электризация может происходить при взаимодействии двух твердых материалов, двух жидкостей или твердого материала и жидкости. Чистые газы не могут заряжать материалы таким путем. Если газ содержит твердые частицы или капли жидкости во взвешенном состоянии, то они могут заряжаться и такой газ может нести эти заряженные частицы.

Если различающиеся между собой твердые материалы первоначально не заряжены и находятся под потенциалом земли, то при соприкосновении между ними происходит передача заряда от одного материала к другому. Когда они разделяются, свободный положительный заряд - остается на одной поверхности, а свободный отрицательный заряд на другой поверхности. Количественно заряд возрастает с размером площади соприкосновения и воздействующего давления. Дополнительное трение также увеличивает площадь контактного взаимодействия.

Сравнительное количество и полярность зарядов, получаемых материалами, можно представлять списками, выражающими трибоэлектрические ряды. Ожидается, что материал зарядится положительно при взаимодействии с материалом, расположенным в таком ряду ниже его, и отрицательно при взаимодействии с материалом, расположенным выше его. Нужно отметить, что положение материала в трибоэлектрическом ряду не достаточно определенное, зависящее от условий испытания. К тому же, два образца из одного и того же материала при трении друг с другом могут довольно сильно заряжаться.

Примеры трибоэлектрических рядов представлены в таблице 1.

Два соприкасающихся предмета взаимно заряжаются зарядами противоположных знаков, и между ними образуется электрическое поле. При последующем их разделении преодолевается сила их взаимного притяжения и линейно с увеличением расстояния между ними возрастает разность потенциалов. При этом происходит утечка зарядов через любые остающиеся участки соприкосновения разделяемых материалов. У проводников рекомбинация зарядов фактически полная ни на одном материале после разделения зарядов не остается. Если один или оба материала являются непроводящими, полная рекомбинация зарядов не может иметь места, и отделяющиеся материалы сохраняют часть своего заряда. При этом, не смотря на то, что сохраняется только небольшая часть первоначального количества разделяемых зарядов, т.к. расстояние между ними при соприкосновении поверхностей, было чрезвычайно мало, потенциал после их разделения может достичь многих киловольт. Реальные поверхности обычно грубы и их заряд увеличивается, если площадь контакта возрастает под воздействием давления или трения. Следует заметить, что реальная площадь соприкосновения материалов существенно отличается от площади их номинального контакта. Они могут отличаться на порядок или более.

Контактная электризация жидкостей - такой же сложный процесс, но зависящий еще от присутствия ионов и (в меньшей степени) заряженных микроскопических частиц.

Таблица 1 - Пример трибоэлектрических рядов

Если ионы (или частицы) одной полярности абсорбированы поверхностью, то к ним притянутся ионы противоположной полярности, которые образуют диффузионный заряженный слой в жидкости, примыкающий к поверхности. Если жидкость затем переместится относительно поверхности, то она унесет часть этого диффузионного слоя, тем самым обеспечивая разделение положительных и отрицательных зарядов. Как и в случае твердых частиц, высокое напряжение образуется в результате работы, затраченной на разделение зарядов, если жидкость недостаточно электропроводна, чтобы предотвратить их взаимную нейтрализацию. Такие процессы могут протекать на границах твердая фаза/жидкость и жидкость/жидкость.

4.3 Заряжение индукцией

Электрическое поле существует вокруг любого заряженного объекта. Проводник или рассеивающий материал (незаряженный объект 2), введенный в поле заряженного объекта 1, изменяет начальную конфигурацию его электростатического поля, и в то же самое время под влиянием его воздействия в нем происходит перераспределение зарядов (рисунок 1а). Если незаряженный объект изолирован от земли, то он приобретет электростатический потенциал, зависящий от его положения в поле заряженного тела и обеспечивающий возможность возникновения разряда на землю.

При последующем кратковременном соединении с землей потенциал объекта 2 снижается до нуля и на нем остается неуравновешенный заряд (рисунок 1б). Когда воздействующее электростатическое поле устраняется, свободный заряд остается (рисунок 1в). Если объект 2 изолирован, а воздействующее поле устранено, то с него может произойти разряд. Считают, что проводящий объект зарядился по индукции. Разряд с такого объекта может представлять опасность, например, при движениях человека в поле заряженных материалов.