Меню

Как измерить электростатический заряд



Как измерить электростатический заряд

Измерение величины статического заряда является очень важной процедурой, которая позволяет обнаружить присутствие заряда, определить его амплитуду и породивший источник.

Как уже отмечалось выше, статическое электричество возникает при дефиците или избытке электронов в атоме. Вследствие того, что измерить величину заряда на поверхности объекта в кулонах невозможно, измеряют сопротивление или напряженность электрического поля, связанную со статическим зарядом. Этот способ измерения широко применяется в промышленности.

Зависимость между сопротивлением поля и напряженностью заключается в том, что в любой точке сопротивление является составляющей градиента напряженности.

Приборы Fraser серии 710 собраны по представленной ниже схеме и измеряют напряжение на поверхности объекта.

А – напряжение в конденсаторе изменяется вместе с изменением величины заряда.

Проводя измерения с расстояния 100 мм, и пользуясь формулой Q (заряд) = С (емкостное сопротивление) х U (напряжение), можно вычислить емкостное сопротивление.

Измерительные приборы Fraser просты в использовании и очень полезны для анализа возникших проблем или прогноза их появления в будущем.

При измерениях параметров статического электричества важно следовать инструкциям по эксплуатации приборов. Электрическое поле действует в единственном направлении, поэтому его практическое изучение не представляет сложностей. Одними из наиболее интересных и важных для измерения заряда характеристик электрического поля являются:

  • Электрическое поле — участок пространства, на котором действуют электрические силы, величины которых выражены в кулонах.
  • Все заряженные объекты окружены электрическим полем.
  • Силовые линии поля проходят перпендикулярно поверхности объекта и указывают направление, по которому действует сила.
  • Электрическое поле может охватывать несколько объектов, что важно учитывать при проведении измерений и осуществлении мероприятий по нейтрализации статического заряда.

Как отмечалось выше, в воздушном пространстве силовые линии электрического поля проходят перпендикулярно поверхности заряженного объекта. Это позволяет производить измерения с очень высокой точностью.

В случае с производством и обработкой синтетической пленки следует отметить важную деталь. Когда материал перемещается по валу, электрический заряд переходит к валу, и кажется, что поле исчезло. Поэтому вблизи вала нет возможности производить точные измерения. Электрическое поле появляется вновь, когда материал преодолевает зону контакта, и статический заряд можно снова измерить точно.

Источник

Электрометр и электроскоп — приборы для измерения заряда

Для измерения заряда используют электроскоп и электрометр. Эти приборы позволяют определить знак заряда, а, так же, оценить величину заряда.

Электроскоп

Электроскоп позволяет обнаружить электрический заряд и оценить его величину приблизительно.

Устроен прибор так. Металлический стержень вертикально входит в металлический корпус (рис. 1).

К стержню с одной стороны присоединена чаша, изготовленная из металла. Чаша находится в верхней части стержня, за пределами корпуса электроскопа.

А к другому концу стержня, находящемся внутри корпуса, присоединены две тонкие полоски бумаги.

Между стержнем и корпусом находится пробка из пластмассы. Она не дает заряду со стержня стекать на корпус.

В корпусе с двух сторон присутствуют стеклянные окошки, чтобы можно было наблюдать за поведением бумажных полосок.

Так же, в корпус встроена шкала с делениями. Она помогает оценивать углы, на которые бумажные полоски расходятся.

Некоторые электроскопы имеют боле простую конструкцию (рис. 2). В них стержень с листочками помещается в стеклянную колбу. Шкала в таких простейших приборах не предусмотрена.

Как пользоваться электроскопом

Рассмотрим незаряженный электроскоп. Поднесем к его чаше натертый шерстью кусочек эбонита. Листочки при этом разойдутся в стороны (рис. 3). Первоначальное положение листочков обозначено на рисунке пунктирными линиями.

Чем больше заряд поднесенного наэлектризованного тела, тем на большие углы расходятся полоски бумаги.

Зарядим теперь электроскоп положительным зарядом. Для этого прикоснемся к его чаше кусочком стекла, натертого о шелк.

Прикоснувшись к чаше электроскопа, можно передать ему заряд. Чем больше заряд, тем сильнее отклоняются листочки.

Поднесем теперь к чаше положительно заряженного прибора тело, имеющее такой же — положительный знак заряда. Прикасаться телом к чаше не будем.

Мы увидим, что листочки разойдутся в стороны еще больше (рис. 4).

Если же к чаше заряженного прибора поднести заряд противоположного знака, угол между его листочками уменьшится (рис. 5).

Зная знак заряда электроскопа, можно определить знак заряда тела.

По углу отклонения бумажных полосок можно судить о том, уменьшился или увеличился заряд электроскопа.

Читайте также:  Классификация приборов для измерения массы

Чем больше угол, тем больше наэлектризован прибор, тем больший заряд находится на нем.

Электрометр

Еще один прибор, с помощью которого можно оценить заряд, называется электрометром.

Его устройство отличается от электроскопа тем, что вместо полосок бумаги содержит легкую металлическую стрелку (рис. 6). Она хорошо сбалансирована и может вращаться, отклоняясь от стержня на различные углы. Ось вращения стрелки проходит через ее центр, а максимальный угол отклонения составляет около 90 градусов.

Когда мы сообщаем электрометру заряд, стрелка от стержня заряжается, отталкивается от него и отклоняется на некоторый угол.

Электрометр обладает несколько большей чувствительностью по сравнению с электроскопом. Во всех конструкциях электрометров обязательно присутствует шкала.

Источник

Основы знаний о статическом электричестве

Основы знаний о статическом электричестве

Что такое статическое электричество

Электрический заряд электрона — (-) 1,6 х 10 -19 кулон. Протон с таким же по величине зарядом имеет положительную полярность. Статический заряд в кулонах прямо пропорционален избытку или дефициту электронов, т.е. числу неустойчивых ионов. Кулон – это основная единица статического заряда, определяющая количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1 ампер.

У положительного иона отсутствует один электрон, следовательно, он может легко принимать электрон от отрицательно заряженной частицы. Отрицательный ион в свою очередь может быть либо одиночным электроном, либо атомом/молекулой с большим числом электронов. В обоих случаях существует электрон, способный нейтрализовать положительный заряд.

Как генерируется статическое электричество

Основные причины появления статического электричества:

1. Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).
2. Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
3. Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля (нерядовые для промышленных производств).
4. Резательные операции (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).
5. Электромагнитная индукция (вызванное статическим зарядом возникновение электрического поля).

Поверхностный контакт и разделение материалов, возможно, являются наиболее распространенными причинами возникновения статического электричества на производствах, связанных с обработкой рулонных пленок и листовых пластиков. Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания материалов или перемещения друг относительно друга различных слоев материалов. Этот процесс не вполне понятен, но наиболее правдивое объяснение появления статического электричества в данном случае может быть получено проведением аналогии с плоским конденсатором, в котором механическая энергия при разделении пластин преобразуется в электрическую:

Результирующее напряжение = начальное напряжение х (конечное расстояние между пластинами/начальное расстояние между пластинами).

Когда синтетическая пленка касается подающего/приемного вала, невысокий заряд, перетекающий от материала к валу, провоцирует дисбаланс. По мере того, как материал преодолевает зону контакта с валом, напряжение возрастает точно также как в случае с конденсаторными пластинами в момент их разделения. Практика показывает, что амплитуда результирующего напряжения ограничена вследствие электрического пробоя, возникающего в промежутке между соседними материалами, поверхностной проводимости и других факторов. На выходе пленки из контактной зоны часто можно слышать слабое потрескивание или наблюдать искрение. Это происходит в момент, когда статический заряд достигает величины, достаточной для пробоя окружающего воздуха. До контакта с валом синтетическая пленка с точки зрения электричества нейтральна, но в процессе перемещения и контакта с подающими поверхностями поток электронов направляется на пленку и заряжает ее отрицательным зарядом. Если вал металлический и заземленный его положительный заряд быстро стекает.

Большая часть оборудования имеет много валов, поэтому величина заряда и его полярность могут часто меняться. Наилучший способ контроля статического заряда – это его точное определение на участке непосредственно перед проблемной зоной. Если заряд нейтрализован слишком рано, он может восстановиться до того, как пленка достигнет этой проблемной зоны.

В теории возникновение статического заряда может быть проиллюстрировано простой электрической схемой:

Измерение статического заряда

А – напряжение конденсатора изменяется вместе с изменением величины заряда.

Проводя измерения с расстояния 100 мм, и пользуясь формулой Q (заряд) = С (емкостное сопротивление) х U (напряжение), можно вычислить емкостное сопротивление.

Читайте также:  Приборы для измерения давления физика манометр

Измерительные приборы обычно просты в использовании и очень полезны для анализа возникших проблем или прогноза их появления в будущем.

Проблемы, связанные со статическим электричеством

Существует 4 основные области:

Статический разряд в электронике

Это, возможно, наиболее широко распространенная проблема, возникающая на предприятиях, связанных с производством и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Она проявляется в том, что материалы самостоятельно меняют свое поведение — склеиваются между собой или, наоборот, отталкиваются, прилипают к оборудованию, притягивают пыль, неправильно наматываются на приемное устройство и пр.

Притягивание/отталкивание происходит в соответствии с законом Кулона, в основе которого лежит принцип противоположности квадрата. В простой форме он выражается следующим образом:

Риск возникновения пожара

Риск возникновения пожара не является общей для всех производств проблемой. Но вероятность возгорания очень велика на полиграфических и других предприятиях, где используются легковоспламеняющиеся растворители.
В опасных зонах наиболее распространенными источниками возгорания являются незаземленное оборудование и подвижные проводники. Если на операторе, находящемся в опасной зоне, надета спортивная обувь или туфли на токонепроводящей подошве, существует риск, что его тело будет генерировать заряд, способный спровоцировать возгорание растворителей. Незаземленные проводящие детали машин также представляют опасность. Все, что находится в опасной зоне должно быть хорошо заземлено.

Нижеследующая информация дает краткое пояснение способности статического разряда провоцировать возгорание в легковоспламеняющихся средах.

Способность разряда провоцировать возгорание зависит от многих переменных факторов:

  • типа разряда;
  • мощности разряда;
  • источника разряда;
  • энергии разряда;
  • наличия легковоспламеняющейся среды (растворителей в газовой фазе, пыли или горючих жидкостей);
  • минимальной энергии воспламенения (МЭВ) легковоспламеняющейся среды.

Типы разряда

Существует три основных типа – искровой, кистевой и скользящий кистевой разряды. Коронный разряд в данном случае во внимание не принимается, т. к. он отличается невысокой энергией и происходит достаточно медленно. Коронный разряд чаще всего неопасен, его следует учитывать только в зонах очень высокой пожаро- и взрывоопасности.

В основном он исходит от умеренно проводящего, электрически изолированного объекта. Это может быть тело человека, деталь машины или инструмент. Предполагается, что вся энергия заряда рассеивается в момент искрения. Если энергия выше МЭВ паров растворителя, может произойти воспламенение.
Энергия искры рассчитывается следующим образом: Е (в Джоулях) = ½ С U2.

Скользящий кистевой разряд

Источник и энергия разряда

Минимальная энергия воспламенения МЭВ

Электропоражение, спровоцированное оборудованием

Татьяна Дементьева
инженер-технолог

Статья подготовлена на основе материалов компании Fraser-antistatic (Великобритания)

Источник

Основы электростатического разряда

Введение в ESD

Многие люди сталкиваются с электростатическим разрядом (ESD) при прикосновении к металлической дверной ручке, при ходьбе по ковровому покрытию или при нахождении на автомобильном сидении.

Однако, статическое электричество и ESD – серьезные промышленные проблемы столетия. Еще в 1400-ых годах европейские и военные форты проводили испытания по контролю за ESD, пытаясь предотвратить непреднамеренное зажигание электростатическим разрядом пороховых складов. К 1860-ым годам фабрики по производству бумаги в США использовали оборудование заземления, ионизацию и увлажнение воздуха для рассеивания статического электричества. Рано или поздно любая производственная компания сталкивается с проблемой электростатического заряда. Производство боеприпасов и взрывчатых веществ, нефтехимические и фармацевтические отрасли, типографии, производство тканей, картин и пластмассы – это те отрасли промышленности, где контроль статического электричества имеет существенное значение. Век электроники принес с собой новые проблемы, связанные со статическим электричеством и электростатическим разрядом. Кроме этого, электронные устройства постоянно совершенствуются, становясь быстрее, тоньше и компактнее, их чувствительность к ESD также увеличивается. И эта тенденция ускоряется. Компаниям нужно тщательно изучать возможности ESD своих процессов производства. Сегодня ESD влияет на производительность и надежность продукции практически во всех сферах глобальной электроники.

В течение последних 30 лет, несмотря на прилагаемые усилия, ESD все еще влияет на доход производства, производственные затраты, качество продукции, надежность продукции и рентабельность. Стоимость поврежденных устройств колеблются от нескольких копеек за простой диод до нескольких сотен тысяч рублей за сложные интегральные схемы. Если учесть затраты на ремонт и доработку, доставку, оплату труда и накладные расходы, то появятся возможности для проведения работ по созданию и улучшению зон, защищенных от ESD.

Читайте также:  Как измерить размер стопы линейкой

Большинство компаний, участвующих в производстве электроники, много внимания уделяют основам, принятым в отрасли элементов статического контроля. Стандарты ESD доступны сегодня, они являются фундаментом производителя для создания правил и методов контроля статического заряда. Маловероятно, что компания, игнорирующая статический контроль за ESD, сможет успешно изготовлять и производить неповрежденные электронные компоненты и оборудование.

Статическое электричество: создание заряда

Электростатический разряд (ESD) – быстрая, самопроизвольная передача электростатического заряда, вызванного электростатическим полем с высоким напряжением. Примечание: обычно заряд проходит через искру между двумя телами при различных электростатических потенциалах по мере их приближения друг к другу.

Электростатический разряд может влиять на электрические характеристики полупроводникового прибора, ухудшая или разрушая его. Электростатический разряд также может нарушить нормальное функционирование электронной системы, вызвав неисправность или сбой. Заряженные поверхности могут удерживать частицы грязи и пыли, которые вызывают трудности при очищении. Если пыль притягивается к поверхности кремниевой пластины, частицы могут вызывать дефект пластины, что может снизить производительность продукта.

Управление электростатическим разрядом начинается в первую очередь с понимания того, как он образуется. Электростатический заряд чаще всего создается контактом и разделением двух материалов. Материалы могут быть похожими или непохожими, хотя и разнородные материалы имеют тенденцию выделять статический заряд высокой мощности. Например, человек, идущий по полу производит статическое электричество по мере того как подошвы ботинок контактируют с полом, а после чего отделяются от поверхности пола.

Электронный компонент, который при упаковке или распаковке скользит по поверхности пакета, магазина или тубы, генерирует электростатический заряд, так как устройства создают контакты с металлом и с поверхностью контейнера. Величина электростатического заряда может быть различной в этих примерах, но статическое электричество формируется в каждом из этих случаев.

Рис. 1. Трибоэлектрический заряд. Пример контактирующих материалов.

Рис. 2. Трибоэлектрический заряд – разделение.

Создание электростатического заряда путем контакта материалов, а затем их разделением называется трибоэлектрический эффект. Слово «трибоэлектрический» происходит от греческого слова, tribo – значение «тереть» и elektros – означает «янтарь» (ископаемая окаменевшая смола доисторических деревьев). Она включает в себя перенос электронов между материалами. Атомы материала без статического заряда имеют равное количество положительных (+) протонов в ядре и отрицательных (-) электронов, вращающихся вокруг ядра. На Рис. 1 материал «А» состоит из атомов с равным числом протонов и электронов. Материал «B» также состоит из атомов с равным (хотя, возможно, различным) числом протонов и электронов. Оба материала электрически нейтральны.

Когда два материала контактируют, а затем разделяются, отрицательно заряженные электроны переносятся с поверхности одного материала на поверхность другого материала. Какой материал теряет электроны и какой получает электроны, будет зависеть от природы этих материалов. Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, в то время как материал, который получает электроны, отрицательно заряжен. Это показано на рисунке 2.

Статическое электричество измеряется в кулонах. Заряд «q» на объекте определяется произведением емкости объекта «C» и потенциала напряжения на объекте (V):

q = CV

Однако мы говорим об электростатическом потенциале на объекте, который выражается как напряжение.

Этот процесс контакта материалов, переноса и разделение электронов представляет собой более сложный механизм, чем описан здесь. На количество заряда, создаваемого трибоэлектрической генерацией, влияют площадь контакта, скорость разделения, относительная влажность и взаимодействие материалов, рабочая поверхность и другие факторы. Как только заряд создается на материале, он становится электростатическим зарядом (если он остается на материале). Этот заряд может передаваться из материала – создание электростатического разряда или появления ESD. Дополнительные факторы, такие как сопротивление фактической разрядной цепи и контактное сопротивление на границе между контактирующими поверхностями, также влияют на фактический заряд, который высвобождается. Типичные сценарии генерации заряда и результирующие уровни напряжения показаны в Таблице 1. Кроме того, показано влияние влажности на уменьшение накопления заряда. Однако следует отметить, что статическая генерация заряда происходит даже при относительно высокой влажности.

Электростатический заряд также может быть создан на материале другими способами, такими как индукция, ионная бомбардировка или контакт с другим заряженным объектом. Однако трибоэлектрический эффект является наиболее распространенным.

Источник