Schutz vor statischer Elektrizität im Alltag und am Arbeitsplatz

Die tägliche Aktivität eines jeden Menschen hängt mit seiner Bewegung im Raum zusammen. Darüber hinaus geht er nicht nur zu Fuß, sondern reist auch mit Verkehrsmitteln.

Bei jeder Bewegung kommt es zu einer Umverteilung der statischen Ladungen, wodurch sich das Gleichgewicht des inneren Gleichgewichts zwischen den Atomen und Elektronen jeder Substanz verändert. Es hängt mit dem Prozess der Elektrifizierung zusammen, der Bildung statischer Elektrizität.

In Festkörpern beruht die Ladungsverteilung auf der Bewegung von Elektronen, in Flüssigkeiten und Gasen sowohl auf Elektronen als auch auf geladenen Ionen. All dies zusammen macht einen potenziellen Unterschied.

Ursachen für statische Elektrizität

Die häufigsten Beispiele für die Manifestation statischer Kräfte werden in der Schule in den ersten Physikstunden erläutert, wenn Glas- und Ebonitstäbe auf Wolltüchern gerieben und die Anziehungskraft kleiner Papierstücke auf sie demonstriert werden.

Bekannt ist auch die Erfahrung, einen dünnen Wasserstrahl unter Einwirkung statischer Ladungen, die auf einen Ebonitstab konzentriert sind, abzulenken.

Im Alltag macht sich statische Elektrizität am häufigsten bemerkbar:

• beim Tragen von Kleidung aus Wolle oder Synthetik;

• Gehen in Schuhen mit Gummisohlen oder Wollsocken auf Teppichen und Batum;

• Verwendung von Plastikartikeln.

Die Situation wird verschärft durch:

• trockene Luft in den Räumlichkeiten;

• Stahlbetonwände, aus denen mehrstöckige Gebäude bestehen.

Wie statische Aufladung erzeugt wird

Normalerweise enthält der physische Körper gleich viele positive und negative Teilchen, weshalb in ihm ein Gleichgewicht entsteht, das seinen neutralen Zustand gewährleistet. Bei einer Störung erhält der Körper eine elektrische Ladung eines bestimmten Vorzeichens.

Unter statisch versteht man einen Ruhezustand, in dem sich der Körper nicht bewegt. Innerhalb seiner Substanz kann es zu Polarisation kommen – der Bewegung von Ladungen von einem Teil zum anderen oder deren Übertragung von einem nahegelegenen Objekt.

Die Elektrifizierung von Stoffen erfolgt durch die Aufnahme, Entfernung oder Trennung von Ladungen, wenn:

• Wechselwirkung von Materialien aufgrund von Reibungs- oder Rotationskräften;

• starker Temperaturabfall;

• Bestrahlung auf unterschiedliche Weise;

• physische Körper spalten oder zerschneiden.

Elektrische Aufladungen auf der Oberfläche des Objekts oder im Abstand davon in mehreren interatomaren Abständen verteilt. Bei ungeerdeten Körpern breiten sie sich über den Bereich der Kontaktschicht aus, bei solchen, die mit der Erdkontur verbunden sind, fließen sie zu dieser hinab.

Die Aufnahme statischer Aufladungen vom Körper und deren Ableitung erfolgen gleichzeitig. Elektrifizierung liegt vor, wenn der Körper ein größeres Energiepotential erhält, als er in der äußeren Umgebung verbraucht.

Aus dieser Position ergibt sich eine praktische Schlussfolgerung: Um den Körper vor statischer Elektrizität zu schützen, ist es notwendig, die entstehenden Ladungen von ihm in die Erdschleife abzuleiten.

Methoden zur Schätzung der statischen Elektrizität

Physikalische Stoffe werden nach ihrer Fähigkeit, bei Wechselwirkung mit anderen Körpern durch Reibung elektrische Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens zu bilden, auf der Skala des triboelektrischen Effekts charakterisiert. Einige davon sind auf dem Foto abgebildet.

Als Beispiel für ihr Zusammenwirken können folgende Sachverhalte angeführt werden:

• Das Gehen in Wollsocken oder Schuhen mit Gummisohlen auf einem trockenen Teppich kann den menschlichen Körper mit bis zu 5 ÷ -6 kV aufladen;

• die Karosserie eines Autos, das sich auf trockener Straße bewegt, erreicht eine Spannung von bis zu 10 kV;

• Der Antriebsriemen, der die Riemenscheibe dreht, wird mit 25 kV belastet.

Wie Sie sehen, erreicht das Potenzial statischer Elektrizität selbst unter häuslichen Bedingungen sehr hohe Werte. Dies schadet uns jedoch nicht viel, da es nicht viel Leistung hat und seine Entladung über den hohen Widerstand der Kontaktpads erfolgt und in Milliampere oder etwas mehr gemessen wird.

Darüber hinaus wird die Luftfeuchtigkeit deutlich reduziert. Die Auswirkung auf die Höhe der Körperbelastung bei Kontakt mit verschiedenen Materialien ist in der Grafik dargestellt.

Aus seiner Analyse folgt die Schlussfolgerung: In einer feuchten Umgebung tritt statische Elektrizität weniger auf. Daher werden zur Bekämpfung verschiedene Feuchtigkeitscremes eingesetzt.

In der Natur kann die statische Elektrizität enorm sein.Wenn sich Wolken über weite Strecken bewegen, sammeln sich zwischen ihnen erhebliche Potenziale an, die sich in Blitzen manifestieren, deren Energie ausreicht, um einen jahrhundertealten Baum am Stamm zu spalten oder ein Wohngebäude niederzubrennen.

Wenn sich im Alltag statische Elektrizität entlädt, spüren wir das „Kneifen“ der Finger, sehen Funken, die von Wollsachen ausgehen, spüren einen Rückgang an Energie und Effizienz. Der Strom, dem unser Körper im Alltag ausgesetzt ist, wirkt sich negativ auf die Gesundheit, den Zustand des Nervensystems aus, verursacht jedoch keine offensichtlichen, sichtbaren Schäden.

Hersteller industrieller Messgeräte stellen Geräte her, mit denen Sie die Spannung der angesammelten statischen Ladungen sowohl an Gerätekästen als auch am menschlichen Körper genau bestimmen können.

So schützen Sie sich vor statischer Elektrizität in Ihrem Zuhause

Jeder von uns sollte die Prozesse verstehen, die zur Bildung statischer Entladungen führen, die eine Gefahr für unseren Körper darstellen. Sie müssen bekannt und begrenzt sein. Zu diesem Zweck werden verschiedene Bildungsaktivitäten durchgeführt, darunter auch beliebte Fernsehprogramme für die Bevölkerung.

Auf ihnen werden mit Hilfe der verfügbaren Mittel Methoden zur Erzeugung statischer Spannung, Prinzipien ihrer Messung und Methoden zur Durchführung vorbeugender Maßnahmen aufgezeigt.

In Anbetracht des triboelektrischen Effekts ist es beispielsweise am besten, Kämme aus Naturholz zum Kämmen der Haare zu verwenden, nicht aus Metall oder Kunststoff, wie es die meisten Menschen tun. Das Holz hat neutrale Eigenschaften und lädt sich beim Einreiben ins Haar nicht auf.

Um beim Fahren auf trockener Straße das statische Potential von der Karosserie zu entfernen, werden an der Unterseite angebrachte spezielle Antistatikstreifen verwendet. Verschiedene Arten davon sind weit verbreitet im Handel erhältlich.

Wenn am Auto kein solcher Schutz vorhanden ist, kann das Spannungspotential durch kurzzeitige Erdung des Gehäuses mit einem Metallgegenstand, beispielsweise einem Auto-Zündschlüssel, entfernt werden. Es ist besonders wichtig, dieses Verfahren vor dem Tanken einzuhalten.

Wenn sich auf Kleidung aus synthetischen Materialien eine statische Aufladung ansammelt, kann diese durch die Behandlung von Dampf aus einem speziellen Behälter mit einem antistatischen Mittel entfernt werden. Generell ist es besser, weniger solche Stoffe zu verwenden und natürliche Materialien wie Leinen oder Baumwolle zu tragen.

Auch Schuhe mit Gummisohlen tragen zum Ladungsaufbau bei. Es reicht aus, antistatische Einlegesohlen aus natürlichen Materialien einzulegen, da die schädliche Wirkung auf den Körper verringert wird.

Der Einfluss der für städtische Wohnungen im Winter charakteristischen trockenen Luft wurde bereits diskutiert. Spezielle Luftbefeuchter oder auch kleine angefeuchtete Tücher auf Haushaltsgegenständen verbessern das Klima und reduzieren die Entstehung statischer Elektrizität. Durch die regelmäßige Nassreinigung im Innenbereich können Sie jedoch elektrifizierte Partikel und Staub rechtzeitig entfernen. Dies ist eine der besten Möglichkeiten, sich zu schützen.

Auch Elektrohaushaltsgeräte laden sich während des Betriebs statisch auf der Box auf. Das mit der gemeinsamen Masse des Gebäudestromkreises verbundene Potenzialausgleichssystem soll deren Auswirkungen reduzieren.Auch eine einfache Acrylbadewanne oder eine alte Gusseisenkonstruktion mit gleicher Einlage unterliegt statischer Einwirkung und muss auf diese Weise geschützt werden.

Wie erfolgt der Schutz vor statischer Elektrizität in der Produktion?

Faktoren, die die Leistung elektronischer Geräte beeinträchtigen

Bei der Herstellung von Halbleitermaterialien entstehende Entladungen können großen Schaden anrichten, die elektrischen Eigenschaften von Geräten stören oder sie sogar vollständig außer Betrieb setzen.

In Produktionsumgebungen kann die Entsorgung willkürlich sein und von verschiedenen Faktoren abhängen:

• die Werte der empfangenen Kapazität;

• Energiepotenzial;

• elektrischer Widerstand der Kontakte;

• Art der Transienten;

• andere Unfälle.

In diesem Fall steigt der Entladestrom zunächst in der Größenordnung von zehn Nanosekunden auf ein Maximum an und nimmt dann innerhalb von 100–300 ns ab.

Die Art des Auftretens einer statischen Entladung an einem Halbleiterbauelement durch den Körper des Bedieners ist auf dem Foto dargestellt.

Die Stärke des Stroms wird beeinflusst durch: die Kapazität der von einer Person angesammelten Ladung, den Widerstand ihres Körpers und der Kontaktflächen.

Bei der Herstellung elektrischer Geräte kann es aufgrund der Kontaktbildung über geerdete Oberflächen zu statischer Entladung kommen, ohne dass ein Bediener eingreifen muss.

In diesem Fall wird der Entladestrom durch die im Gerätegehäuse akkumulierte Ladekapazität und den Widerstand der gebildeten Kontaktpads beeinflusst. Dabei wirken im Anfangsmoment gleichzeitig das induzierte Hochspannungspotential und der Entladestrom auf den Halbleiter.

Aufgrund eines so komplexen Effekts kann der Schaden sein:

1.insbesondere dann, wenn die Leistung der Elemente so stark nachlässt, dass sie unbrauchbar werden;

2. versteckt – durch Reduzierung der Ausgabeparameter, die manchmal sogar innerhalb der festgelegten Fabrikeigenschaften liegen.

Die zweite Art von Störungen ist schwer zu erkennen: Sie beeinträchtigen am häufigsten den Produktivitätsverlust während der Arbeit.

Ein Beispiel für einen solchen Schaden durch die Einwirkung hoher statischer Spannung sind die Abweichungsdiagramme der Volt-Ampere-Kennlinien, die auf die Diode KD522D und den integrierten Schaltkreis KR1005VI1 LSI angewendet werden.

Die braune Linie Nr. 1 zeigt die Parameter der Halbleiterbauelemente vor den Tests mit erhöhter Spannung, und die Kurven Nr. 2 und 3 zeigen deren Reduzierung unter dem Einfluss des erhöhten induzierten Potentials. Im Fall Nr. 3 hat es größere Auswirkungen.

Schäden können durch Handlungen verursacht werden von:

• überschätzte induzierte Spannung, die die dielektrische Schicht von Halbleiterbauelementen oder die Kristallstruktur zerstört;

• hohe Stromdichte, die zu hohen Temperaturen führt, die zum Schmelzen von Materialien und zum Verbrennen der Oxidschicht führen;

• Tests, Elektro-Thermotraining.

Versteckte Schäden können die Arbeit nicht sofort beeinträchtigen, sondern erst nach mehreren Monaten oder sogar Jahren der Arbeit.

Methoden zur Durchführung des ESD-Schutzes in der Produktion

Abhängig von der Art der Industrieanlage kommt eine der folgenden Methoden zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit oder deren Kombination zum Einsatz:

1. Beseitigung der Bildung elektrostatischer Aufladungen;

2. ihnen den Zugang zum Arbeitsplatz versperren;

3. Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Geräten und Zubehör gegenüber der Einwirkung von Entladungen.

Mit den Methoden Nr. 1 und Nr. 2 können Sie eine große Gruppe verschiedener Geräte in einem Komplex schützen, und Nr. 3 wird für einzelne Geräte verwendet.

Eine hohe Effizienz bei der Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Geräte wird durch die Platzierung in einem Faradayschen Käfig erreicht, einem Raum, der allseitig von einem feinen Metallgeflecht umgeben ist, das mit der Erdungsschleife verbunden ist. Äußere elektrische Felder dringen nicht in das Innere ein und es verfügt über einen statischen Magneten.

Nach diesem Prinzip funktionieren abgeschirmte Kabel.

Der Schutz gegen statische Einwirkung wird nach den Umsetzungsprinzipien klassifiziert:

• physisch und mechanisch;

• chemisch;

• konstruktiv und technologisch.

Mit den ersten beiden Methoden können Sie die Bildung statischer Aufladungen verhindern oder reduzieren und deren Abflussgeschwindigkeit erhöhen. Die dritte Methode schützt Geräte vor den Auswirkungen von Ladungen, beeinträchtigt jedoch nicht deren Entladung.

Sie können die Abfallentsorgung verbessern, indem Sie:

• Erstellen einer Krone;

• Erhöhung der Leitfähigkeit von Materialien, auf denen sich Ladungen ansammeln.

Lösen Sie diese Probleme:

• Luftionisierung;

• Vergrößerung der Arbeitsflächen;

• Auswahl von Materialien mit der besten volumetrischen Leitfähigkeit.

Dank ihrer Implementierung werden vorgefertigte Leitungen geschaffen, um statische Aufladungen zum Erdungskreis abzuleiten und deren Auswirkungen auf die Arbeitselemente der Geräte auszuschließen. Dabei wird berücksichtigt, dass der gesamte elektrische Widerstand des erstellten Pfades 10 Ohm nicht überschreiten sollte.

Wenn die Materialien eine hohe Widerstandsfähigkeit aufweisen, erfolgt der Schutz auf andere Weise. Andernfalls beginnen sich an der Oberfläche Ladungen anzusammeln, die bei Bodenkontakt entladen werden können.

Das Foto zeigt ein Beispiel für die Implementierung eines komplexen elektrostatischen Schutzes am Arbeitsplatz eines Bedieners, der mit der Wartung und Einstellung elektronischer Geräte beschäftigt ist.

Die Oberfläche des Tisches wird über einen Verbindungsdraht und eine leitfähige Unterlage über spezielle Anschlüsse mit der Erdungsschleife verbunden. Der Bediener arbeitet in Spezialkleidung, trägt Schuhe mit leitfähigen Sohlen und sitzt auf einem Stuhl mit spezieller Sitzfläche. All diese Maßnahmen ermöglichen eine effektive Entsorgung der am Boden anfallenden Ladungen.

Funktionierende Luftionisatoren regulieren die Luftfeuchtigkeit und reduzieren das Potenzial statischer Elektrizität. Bei ihrer Verwendung wird berücksichtigt, dass sich der erhöhte Wasserdampfgehalt der Luft negativ auf die menschliche Gesundheit auswirkt. Deshalb versuchen sie, ihn bei etwa 40 % zu halten.

Ein wirksamer Weg kann auch die regelmäßige Belüftung des Raums oder die Verwendung eines Belüftungssystems darin sein, wenn die Luft durch die Filter strömt, ionisiert und vermischt und so die Neutralisierung der entstehenden Ladungen gewährleistet.

Um das vom menschlichen Körper aufgebaute Potenzial zu reduzieren, können Armbänder als Ergänzung zum Set aus antistatischer Kleidung und Schuhen verwendet werden. Sie bestehen aus einem leitfähigen Band, das mit einer Schnalle an der Schulter befestigt wird. Letzterer ist mit dem Erdungskabel verbunden.

Bei dieser Methode wird der durch den menschlichen Körper fließende Strom begrenzt. Sein Wert sollte ein Milliampere nicht überschreiten. Größere Werte können Schmerzen und elektrische Verletzungen verursachen.

Beim Entladen der Ladung zum Boden ist es wichtig, die Entladegeschwindigkeit in einer Sekunde sicherzustellen.Hierzu werden Bodenbeläge mit geringem elektrischen Widerstand verwendet.

Bei der Arbeit mit Halbleiterplatinen und elektronischen Bauteilen ist außerdem Schutz vor Schäden durch statische Elektrizität gegeben:

• erzwungene Umgehung der Anschlüsse elektronischer Platinen und Blöcke bei Inspektionen;

• Verwendung von Werkzeugen und Lötkolben mit geerdeten Arbeitsköpfen.

Auf Fahrzeugen befindliche Behälter mit brennbaren Flüssigkeiten werden mit einer Metallkette geerdet. Sogar der Rumpf des Flugzeugs ist mit Metallkabeln ausgestattet, die beim Landen als Schutz vor statischer Elektrizität dienen.