由電荷守恒定律可知:電荷既不能被創造,也不能被消滅。電荷只能從一個物體轉移到另一個物體,或者從物體的一部分轉移到另一部分。
根據電荷守恒定律的原理,靜電障害的防控只能是疏導,應從靜電泄放和耗散、靜電中和、靜電屏蔽與接地、環境增濕這幾個方面著手將靜電控制在安全的范圍內。
1.加速靜電的泄露和耗散。
原理:當物體表面產生靜電時,通過材料本身的特性將靜電荷進行泄露和耗散,使靜電不能再無體表面上積累,降低單位面積的靜電電量,從而起到防止靜電放電發生的作用。
因此,在物體表面或物體中植入靜電導體或靜電耗散材料,構建靜電泄漏和耗散的通道,通過此類材料的作用,將物體上的靜電及時的泄放,使靜電不能再物體表面積累,降低其單位面積的靜電電量,從而將靜電控制在安全范圍以內,防止靜電集中釋放。
應用導電紗線,在防靜電紡織品中構建靜電泄漏和耗散通道,就是這一原理應用的典型案例。
從材料學的角度講,可以將材料分為:導靜電(亦稱靜電導體)材料,靜電亞導體(亦稱靜電耗散)材料。
GB12158-2006《防止靜電事故通用導則》中規定:
靜電導體:在任何情況下,體電阻率≤1×105Ω(即電導率≥1×10-6s/m)的物料及表面電阻率≤1×107Ω的固體表面。
靜電亞導體:在任何條件下: 體電阻率≥106Ω·m而小于1010Ω·m的物體, 表面電阻率>107Ω而<1011Ω的固體表面。
靜電非導體
在任何條件下,體電阻率≥1010Ω·m(即電導率≤10-10s/m)的物料及表面電阻率≥1011Ω的固體表面。
2.靜電泄放與接地
物體通過導電,防靜電材料或防靜電制品與大地在電氣上作可靠連接,使靜電與大地的電位接近,給靜電亞導體提供泄露的通道。
靜電接地是靜電泄放最直接也是最有效的措施。
在此應特別注意的是:只有當物體具有電荷泄露特性時,靜電接地才能有效地將物體所帶有的電荷向大地泄放。也就是說,靜電接地僅適用于靜電導體和靜電亞導體材料,而不適用于靜電非導體(或稱絕緣體)材料,因為絕緣體基本不具有轉移電荷的能力。
①GJB 2527-95《彈藥防靜電要求》指出了靜電接地與通常意義接地的區別:
Ⅰ、量值得不同:
通常接地:接地電阻在Ω量級。
靜電接地:接地電阻可以是106Ω或108Ω量級,視具體場合而定。
Ⅱ、接地材料可以不同:
通常接地:使用金屬導體接地。
靜電接地:可以使用靜電導體接地。
②靜電接地的方式:
Ⅰ、靜電直接接地:
通過金屬導體構成的靜電接地系統。
Ⅱ、靜電間接接地:
通過含有非金屬導體,防靜電材料或其制品使物體靜電接地。
③靜電接地方式的選擇:
Ⅰ、固定的金屬導體,一般是直接接地的對象。
Ⅱ、活動的金屬導體,特殊的金屬導體有時需要間接接地。
Ⅲ、金屬以外的靜電導體和靜電亞導體以及表面電阻率在1012Ω以上的物體是
間接接地的對象。
Ⅳ、靜電非導體(表面電阻率在1012Ω以上的物體),一般不能作為接地的對象。
Ⅴ、人體做為一種特殊的靜電導體,即是直接接地對象(如用腕帶等),也是間接地接地對象(如通過防靜電鞋和防靜電地面等達到靜電接地的目的)。
Ⅵ、人體接地的基本方法
人穿導電或防靜電鞋(不準用絕緣鞋墊),并通過防靜電地面使人體與大地構成靜電通路;操作人員坐的椅子、凳子應靜電接地,不應有絕緣襯墊和絕緣腳。在特別危險的場所操作靜電敏感的場所,操作人員還應穿防靜電工作服;必要時,人體應該使用腕帶直接靜電接地。
3.靜電中和。
靜電中和,實質上就是電性中和。即正負電荷結合,在電荷量上達到平衡,對外不顯電性。
兩個帶等量異種電荷的物體,一個失去電子而帶正電荷,另一個得到電子而帶負電荷,一個失去多少電子另一個就得到多少電子;當發生電的中和時,帶負電的物體會將多余的電子傳給因缺少電子而帶正電的物體,使得兩物體的原子都恢復電中性的過程即為靜電中和。故兩物體對外都不顯示電性。
物質中的電子和質子總是成對存在的,在數量上是平衡的(質子帶正電,電子帶負電),所以對外不顯電性。這種平衡一旦被打破,物質對外就顯現其電性(失去電子的物質帶正電,得到多余電子的物質帶負電)。靜電中和就是通過人為的干預,使物質恢復其電中性的過程。即:使缺少電子的物質得到電子的補充,而將有多余電子物質的多余電子轉移出去,從而在新的條件下達到電子與質子在數量上的平衡,使物質對外顯示電中性。
靜電中和的方法大致有兩大類:
⑴使用離子發生器(離子風機、離子棒等)。
作用原理:由高壓電源發生器和放電極組成離子發生器,通過尖端高壓電暈放電將空氣電離成離子體,并由風扇通過送風管道將離子風輸送到可能產生靜電的物體表面,將物體表面所帶的電荷進行中和;當物體表面所帶為負電荷時,它會吸引氣流中的正離子;而當物體表面所帶為正電荷時,它會吸引氣流中的負離子,從而使物體表面的靜電荷被中和。
離子:是原子或原子團由于得失電子而形成的帶電微粒。在離子中質子數與電子數不等,依據離子的電性不同,可以分為陰離子(負離子)和陽離子(正離子)。
陰離子:即帶負電的原子或原子團。
陽離子:即帶正電的原子或原子團。
電離:電離有兩種,一種是化學上的電離;另一種是物理上的電離。
化學上的電離:指電解質在一定條件下(如溶解于某些溶劑,加熱熔化等),電離成為可自由移動的離子的過程。
※在電離前,可能是不含有離子(如氯化氫),也可能是盡管有離子,但里面的離子不能自由移動(如氯化鈉固體)。
物理上的電離:指不帶電的粒子在高壓電弧或者高能射線等的作用下,變成帶電離子的過程。如:地球的大氣層中的電離層里的粒子就屬此種情況。
空氣電離:空氣是由氧、氮、水蒸氣、二氧化碳等多種氣體組成的氣體混合物,在正常情況下,氣體分子不帶電(顯中性),但在射線、受熱及電場的作用下,就會使中性氣體原子中的電子獲得足夠的能量,以克服原子核對它的引力而成為自由電子,同時,中性的原子或分子由于失去了帶負電荷的電子而變成帶電荷的正離子。這種使中性氣體或原子釋放正負離子的過程稱為氣體電離。
※離子化可以在5秒鐘內中和絕緣體上的靜電荷。
⑵將靜電序列中相距較遠的兩種物質按一定比例混合在一起使用,即將能夠產生正電荷的物質與能夠產生負電荷的物質按一定比例混合,使正負電荷在數量上相等,達到相互中和的目的。如在過濾材料中就有利用兩種材料不同的電性混合使用的案例。
注:在實際應用中,第一種方法(即使用離子發生器)的使用較為普遍且實用;第二種方法(即靜電序列中相距較遠的兩種物質混合使用)的應用有一定局限性,僅適用特定的使用條件,如:摩擦速度、摩擦壓力、風速、流速、溫濕度等條件一定的情況下。
靜電中和一般應用于不便使用靜電防護材料(靜電導體或靜電亞導體)的情況下,如絕緣材料的使用或金屬物體無法進行接地的情況。
※接地和隔離無法從絕緣體中釋放電荷,所以靜電中和就顯得尤為重要。