由电荷守恒定律可知:电荷既不能被创造,也不能被消灭。电荷只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分。
根据电荷守恒定律的原理,静电障害的防控只能是疏导,应从静电泄放和耗散、静电中和、静电屏蔽与接地、环境增湿这几个方面着手将静电控制在安全的范围内。
1.加速静电的泄露和耗散。
原理:当物体表面产生静电时,通过材料本身的特性将静电荷进行泄露和耗散,使静电不能再无体表面上积累,降低单位面积的静电电量,从而起到防止静电放电发生的作用。
因此,在物体表面或物体中植入静电导体或静电耗散材料,构建静电泄漏和耗散的通道,通过此类材料的作用,将物体上的静电及时的泄放,使静电不能再物体表面积累,降低其单位面积的静电电量,从而将静电控制在安全范围以内,防止静电集中释放。
应用导电纱线,在防静电纺织品中构建静电泄漏和耗散通道,就是这一原理应用的典型案例。
从材料学的角度讲,可以将材料分为:导静电(亦称静电导体)材料,静电亚导体(亦称静电耗散)材料。
GB12158-2006《防止静电事故通用导则》中规定:
静电导体:在任何情况下,体电阻率≤1×105Ω(即电导率≥1×10-6s/m)的物料及表面电阻率≤1×107Ω的固体表面。
静电亚导体:在任何条件下: 体电阻率≥106Ω·m而小于1010Ω·m的物体, 表面电阻率>107Ω而<1011Ω的固体表面。
静电非导体
在任何条件下,体电阻率≥1010Ω·m(即电导率≤10-10s/m)的物料及表面电阻率≥1011Ω的固体表面。
2.静电泄放与接地
物体通过导电,防静电材料或防静电制品与大地在电气上作可靠连接,使静电与大地的电位接近,给静电亚导体提供泄露的通道。
静电接地是静电泄放最直接也是最有效的措施。
在此应特别注意的是:只有当物体具有电荷泄露特性时,静电接地才能有效地将物体所带有的电荷向大地泄放。也就是说,静电接地仅适用于静电导体和静电亚导体材料,而不适用于静电非导体(或称绝缘体)材料,因为绝缘体基本不具有转移电荷的能力。
①GJB 2527-95《弹药防静电要求》指出了静电接地与通常意义接地的区别:
Ⅰ、量值得不同:
通常接地:接地电阻在Ω量级。
静电接地:接地电阻可以是106Ω或108Ω量级,视具体场合而定。
Ⅱ、接地材料可以不同:
通常接地:使用金属导体接地。
静电接地:可以使用静电导体接地。
②静电接地的方式:
Ⅰ、静电直接接地:
通过金属导体构成的静电接地系统。
Ⅱ、静电间接接地:
通过含有非金属导体,防静电材料或其制品使物体静电接地。
③静电接地方式的选择:
Ⅰ、固定的金属导体,一般是直接接地的对象。
Ⅱ、活动的金属导体,特殊的金属导体有时需要间接接地。
Ⅲ、金属以外的静电导体和静电亚导体以及表面电阻率在1012Ω以上的物体是
间接接地的对象。
Ⅳ、静电非导体(表面电阻率在1012Ω以上的物体),一般不能作为接地的对象。
Ⅴ、人体做为一种特殊的静电导体,即是直接接地对象(如用腕带等),也是间接地接地对象(如通过防静电鞋和防静电地面等达到静电接地的目的)。
Ⅵ、人体接地的基本方法
人穿导电或防静电鞋(不准用绝缘鞋垫),并通过防静电地面使人体与大地构成静电通路;操作人员坐的椅子、凳子应静电接地,不应有绝缘衬垫和绝缘脚。在特别危险的场所操作静电敏感的场所,操作人员还应穿防静电工作服;必要时,人体应该使用腕带直接静电接地。
3.静电中和。
静电中和,实质上就是电性中和。即正负电荷结合,在电荷量上达到平衡,对外不显电性。
两个带等量异种电荷的物体,一个失去电子而带正电荷,另一个得到电子而带负电荷,一个失去多少电子另一个就得到多少电子;当发生电的中和时,带负电的物体会将多余的电子传给因缺少电子而带正电的物体,使得两物体的原子都恢复电中性的过程即为静电中和。故两物体对外都不显示电性。
物质中的电子和质子总是成对存在的,在数量上是平衡的(质子带正电,电子带负电),所以对外不显电性。这种平衡一旦被打破,物质对外就显现其电性(失去电子的物质带正电,得到多余电子的物质带负电)。静电中和就是通过人为的干预,使物质恢复其电中性的过程。即:使缺少电子的物质得到电子的补充,而将有多余电子物质的多余电子转移出去,从而在新的条件下达到电子与质子在数量上的平衡,使物质对外显示电中性。
静电中和的方法大致有两大类:
⑴使用离子发生器(离子风机、离子棒等)。
作用原理:由高压电源发生器和放电极组成离子发生器,通过尖端高压电晕放电将空气电离成离子体,并由风扇通过送风管道将离子风输送到可能产生静电的物体表面,将物体表面所带的电荷进行中和;当物体表面所带为负电荷时,它会吸引气流中的正离子;而当物体表面所带为正电荷时,它会吸引气流中的负离子,从而使物体表面的静电荷被中和。
离子:是原子或原子团由于得失电子而形成的带电微粒。在离子中质子数与电子数不等,依据离子的电性不同,可以分为阴离子(负离子)和阳离子(正离子)。
阴离子:即带负电的原子或原子团。
阳离子:即带正电的原子或原子团。
电离:电离有两种,一种是化学上的电离;另一种是物理上的电离。
化学上的电离:指电解质在一定条件下(如溶解于某些溶剂,加热熔化等),电离成为可自由移动的离子的过程。
※在电离前,可能是不含有离子(如氯化氢),也可能是尽管有离子,但里面的离子不能自由移动(如氯化钠固体)。
物理上的电离:指不带电的粒子在高压电弧或者高能射线等的作用下,变成带电离子的过程。如:地球的大气层中的电离层里的粒子就属此种情况。
空气电离:空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的气体混合物,在正常情况下,气体分子不带电(显中性),但在射线、受热及电场的作用下,就会使中性气体原子中的电子获得足够的能量,以克服原子核对它的引力而成为自由电子,同时,中性的原子或分子由于失去了带负电荷的电子而变成带电荷的正离子。这种使中性气体或原子释放正负离子的过程称为气体电离。
※离子化可以在5秒钟内中和绝缘体上的静电荷。
⑵将静电序列中相距较远的两种物质按一定比例混合在一起使用,即将能够产生正电荷的物质与能够产生负电荷的物质按一定比例混合,使正负电荷在数量上相等,达到相互中和的目的。如在过滤材料中就有利用两种材料不同的电性混合使用的案例。
注:在实际应用中,第一种方法(即使用离子发生器)的使用较为普遍且实用;第二种方法(即静电序列中相距较远的两种物质混合使用)的应用有一定局限性,仅适用特定的使用条件,如:摩擦速度、摩擦压力、风速、流速、温湿度等条件一定的情况下。
静电中和一般应用于不便使用静电防护材料(静电导体或静电亚导体)的情况下,如绝缘材料的使用或金属物体无法进行接地的情况。
※接地和隔离无法从绝缘体中释放电荷,所以静电中和就显得尤为重要。