Statische Elektrizität – was sie ist, wie sie erzeugt wird und welche Probleme damit verbunden sind

Was ist statische Elektrizität?

Statische Elektrizität entsteht, wenn das intraatomare oder intramolekulare Gleichgewicht durch den Gewinn oder Verlust eines Elektrons gestört wird. Normalerweise befindet sich ein Atom aufgrund der gleichen Anzahl positiver und negativer Teilchen – Protonen und Elektronen – im Gleichgewicht. Elektronen können leicht von einem Atom zum anderen wandern. Gleichzeitig bilden sie positive (wo kein Elektron vorhanden ist) oder negative (ein einzelnes Elektron oder ein Atom mit einem zusätzlichen Elektron) Ionen. Wenn dieses Ungleichgewicht auftritt, wird statische Elektrizität erzeugt.

Weitere Details finden Sie hier: Über statische Elektrizität in Bildern

Elektrische Ladung eines Elektrons – (-) 1,6 x 10-19 Anhänger. Ein Proton mit gleicher Ladung hat eine positive Polarität. Die statische Ladung in Coulomb ist direkt proportional zum Überschuss oder Mangel an Elektronen, d. h. die Anzahl der instabilen Ionen.

Der Anhänger ist die Grundeinheit der statischen Ladung, die die Strommenge definiert, die in 1 Sekunde bei 1 Ampere durch den Querschnitt eines Drahtes fließt.

Ein positives Ion hat kein Elektron und kann daher leicht ein Elektron von einem negativ geladenen Teilchen aufnehmen. Ein negatives Ion wiederum kann entweder ein einzelnes Elektron oder ein Atom/Molekül mit einer großen Anzahl von Elektronen sein. In beiden Fällen gibt es ein Elektron, das die positive Ladung neutralisieren kann.

Wie statische Elektrizität erzeugt wird

Die Hauptursachen für statische Elektrizität:

• Kontakt zwischen zwei Materialien und deren Trennung voneinander (einschließlich Reiben, Rollen/Abwickeln usw.).

• Ein schneller Temperaturabfall (z. B. wenn das Material in den Ofen gestellt wird).

• Hochenergetische Strahlung, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen, starke elektrische Felder (in industriellen Anwendungen nicht üblich).

• Schneidarbeiten (z. B. an Schneidemaschinen oder Papierschneidemaschinen).

• Handbuch (Erzeugte statische Elektrizität).

Oberflächenkontakt und Materialtrennung sind wahrscheinlich die häufigsten Ursachen für statische Elektrizität in der Rollfilm- und Kunststofffolienindustrie. Statische Aufladung entsteht beim Ab-/Aufwickeln von Materialien oder bei der Bewegung verschiedener Materialschichten relativ zueinander.

Dieser Vorgang ist nicht ganz klar, aber die wahrste Erklärung für das Auftreten statischer Elektrizität in diesem Fall kann in Analogie zu einem Flachkondensator erhalten werden, bei dem beim Trennen der Platten mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird:

Resultierende Spannung = Anfangsspannung x (endgültiger Plattenabstand / anfänglicher Plattenabstand).

Wenn die Kunststofffolie die Vorschub-/Aufwickelwalze berührt, entsteht durch eine leichte Ladung, die vom Material zur Walze fließt, ein Ungleichgewicht. Wenn das Material die Kontaktfläche mit der Welle überwindet, steigt die Spannung auf die gleiche Weise wie bei die Kondensatorplatten im Moment ihrer Trennung.

Die Praxis zeigt, dass die Amplitude der resultierenden Spannung aufgrund des elektrischen Durchschlags im Spalt zwischen benachbarten Materialien, der Oberflächenleitfähigkeit und anderen Faktoren begrenzt ist. Beim Austritt der Folie aus der Kontaktfläche ist häufig ein leichtes Knistern zu hören oder eine Funkenbildung zu beobachten. Dies geschieht in dem Moment, in dem die statische Aufladung einen Wert erreicht, der ausreicht, um die Umgebungsluft zu zerstören.

Vor dem Kontakt mit der Walze ist der Kunststofffilm elektrisch neutral, aber bei der Bewegung und dem Kontakt mit den Zuführflächen wird ein Elektronenfluss auf den Film gerichtet und lädt ihn mit einer negativen Ladung auf. Wenn die Welle aus Metall besteht und geerdet ist, geht ihre positive Ladung schnell verloren.

Die meisten Geräte verfügen über viele Wellen, daher können sich Ladungsmenge und Polarität häufig ändern. Der beste Weg, die statische Aufladung zu kontrollieren, besteht darin, sie im Bereich direkt vor dem Problembereich genau zu messen. Wenn die Ladung zu früh neutralisiert wird, kann es sein, dass sie sich erholt, bevor der Film diesen Problembereich erreicht.

Wenn das Objekt eine erhebliche Ladung speichern kann und eine hohe Spannung vorhanden ist, kann statische Elektrizität schwerwiegende Probleme wie Lichtbogenbildung, elektrostatische Abstoßung/Anziehung oder einen Stromschlag für das Personal verursachen.

Laden Sie die Polarität auf

Statische Aufladung kann positiv oder negativ sein.Bei Gleichstrom (AC) und passiven Begrenzern (Bürsten) ist die Ladungspolarität normalerweise nicht wichtig.

Probleme mit statischer Elektrizität

Statische Entladung in der Elektronik

Auf dieses Problem muss man achten, da es häufig bei der Arbeit mit elektronischen Blöcken und Komponenten auftritt, die in modernen Steuerungs- und Messgeräten verwendet werden.

In der Elektronik geht die mit statischer Elektrizität verbundene Hauptgefahr von der Person aus, die die Ladung trägt, und sollte nicht ignoriert werden. Der Entladestrom erzeugt Wärme, die zu unterbrochenen Verbindungen, unterbrochenen Kontakten und unterbrochenen Mikroschaltkreisbahnen führt. Die Hochspannung zerstört auch die dünne Oxidschicht auf den Feldeffekttransistoren und anderen beschichteten Elementen.

Oftmals fallen Komponenten nicht vollständig aus, was als noch gefährlicher angesehen werden kann, da die Fehlfunktion nicht sofort, sondern zu einem unvorhersehbaren Zeitpunkt während des Betriebs des Geräts auftritt.

Generell gilt: Wenn Sie mit statisch empfindlichen Teilen und Geräten arbeiten, sollten Sie stets Maßnahmen ergreifen, um die aufgebaute Ladung in Ihrem Körper zu neutralisieren.

Elektrostatische Anziehung/Abstoßung

Dies ist möglicherweise das häufigste Problem in der Kunststoff-, Papier-, Textil- und verwandten Industrie. Es äußert sich darin, dass die Materialien ihr Verhalten selbstständig ändern – sie haften aneinander oder stoßen sich umgekehrt ab, kleben am Gerät, ziehen Staub an, unregelmäßiger Wind auf dem Empfangsgerät usw.

Anziehung/Abstoßung erfolgt nach dem Coulombschen Gesetz, das auf dem Prinzip des Gegenteils des Quadrats beruht. In seiner einfachsten Form wird es wie folgt ausgedrückt:

Die Anziehungs- oder Abstoßungskraft (in Newton) = Ladung (A) x Ladung (B) / (Abstand zwischen Objekten 2 (in Metern)).

Daher steht die Intensität dieses Effekts in direktem Zusammenhang mit der Amplitude der statischen Ladung und dem Abstand zwischen anziehenden oder abstoßenden Objekten. Anziehung und Abstoßung erfolgen in Richtung der elektrischen Feldlinien.

Wenn zwei Ladungen die gleiche Polarität haben, stoßen sie sich ab; Wenn das Gegenteil der Fall ist, ziehen sie sich gegenseitig an. Wenn eines der Objekte aufgeladen ist, entsteht eine Anziehungskraft, die ein Spiegelbild der Ladung auf neutralen Objekten erzeugt.

Brandgefahr

Brandgefahr ist nicht für alle Branchen ein gemeinsames Problem. In Druckereien und anderen Betrieben, die brennbare Lösungsmittel verwenden, ist die Brandgefahr jedoch sehr hoch.

In explosionsgefährdeten Bereichen sind nicht geerdete Geräte und bewegliche Leitungen die häufigsten Zündquellen. Wenn ein Bediener in einem Gefahrenbereich Sportschuhe oder Schuhe mit nicht leitenden Sohlen trägt, besteht die Gefahr, dass sein Körper eine Ladung erzeugt, die Lösungsmittel entzünden kann. Gefährlich sind auch nicht geerdete leitende Teile der Maschine. Alles im Gefahrenbereich muss ordnungsgemäß geerdet sein.

Die folgenden Informationen geben eine kurze Erläuterung des Zündpotenzials statischer Elektrizität in brennbaren Umgebungen. Es ist wichtig, dass sich unerfahrene Händler im Voraus über die Art der Ausrüstung im Klaren sind, um Fehler bei der Auswahl der Geräte für den Einsatz unter solchen Bedingungen zu vermeiden.

Die Fähigkeit einer Entladung, einen Brand zu verursachen, hängt von vielen Variablen ab:

• Art der Entsorgung;

• Entladeleistung;

• Entladungsquelle;

• Energie entladen;

• das Vorhandensein einer brennbaren Umgebung (Lösungsmittel in der Gasphase, Staub oder brennbare Flüssigkeiten);

• Mindestzündenergie (MEW) eines brennbaren Mediums.

Arten der Entladung

Es gibt drei Haupttypen: Funken-, Bürsten- und Gleitbürsten. In diesem Fall wird die koronare Entladung nicht berücksichtigt, da sie nicht sehr energiereich ist und recht langsam erfolgt. Eine Koronaentladung ist im Allgemeinen harmlos und sollte nur in Bereichen mit sehr hoher Brand- und Explosionsgefahr in Betracht gezogen werden.

Eine aufrichtige Entlastung

Es stammt hauptsächlich von einem mäßig leitfähigen, elektrisch isolierten Gegenstand. Es kann ein menschlicher Körper, ein Teil einer Maschine oder ein Werkzeug sein. Es wird davon ausgegangen, dass im Moment der Funkenbildung die gesamte Energie der Ladung verloren geht. Wenn die Energie höher ist als das MEW des Lösungsmitteldampfes, kann es zu einer Entzündung kommen.

Die Funkenenergie wird wie folgt berechnet: E (in Joule) = ½ C U2.

Ausfluss aus den Händen

Eine Bürstenentladung tritt auf, wenn scharfe Geräteteile die Ladung auf den Oberflächen dielektrischer Materialien konzentrieren, deren isolierende Eigenschaften zu einer Akkumulation führen. Eine Büschelentladung hat eine geringere Energie als eine Funkenentladung und stellt daher eine geringere Zündgefahr dar.

Mit einem Gleitpinsel verteilen

Das Gleitbürstensprühen erfolgt auf Folien oder Rollen aus hochohmigen synthetischen Materialien mit erhöhter Ladungsdichte und unterschiedlichen Ladungspolaritäten auf jeder Seite der Bahn. Dieses Phänomen kann durch Reiben oder Aufsprühen der Pulverbeschichtung verursacht werden. Der Effekt ist vergleichbar mit der Entladung eines Flachkondensators und kann genauso gefährlich sein wie eine Funkenentladung.

Kraft- und Energiequelle

Größe und Geometrie der Ladungsverteilung sind wichtige Faktoren. Je größer das Volumen des Körpers, desto mehr Energie enthält er. Scharfe Ecken erhöhen die Feldstärke und halten Entladungen aufrecht.

Entladeleistung

Wenn sich ein Objekt mit Energie nicht gut verhält ElektrizitätB. einem menschlichen Körper, wird der Widerstand des Objekts den Auswurf abschwächen und die Gefahr verringern. Für den menschlichen Körper gilt eine Grundregel: Gehen Sie davon aus, dass sich alle Lösungsmittel mit einer inneren Mindestzündenergie von weniger als 100 mJ entzünden können, obwohl die im Körper enthaltene Energie zwei- bis dreimal so hoch sein kann.

Mindestzündenergie MEW

Die Mindestzündenergie der Lösungsmittel und deren Konzentration im Gefahrenbereich sind sehr wichtige Faktoren. Ist die Mindestzündenergie geringer als die Entladungsenergie, besteht Brandgefahr.

Elektrischer Schock

Der Frage nach der Gefahr eines statischen Schocks in einem Industriebetrieb wird immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Grund dafür sind deutlich gestiegene Anforderungen an Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz.

Ein durch statische Elektrizität verursachter Stromschlag ist im Allgemeinen nicht besonders gefährlich. Es ist einfach unangenehm und löst oft heftige Reaktionen aus.

Es gibt zwei häufige Ursachen für einen statischen Schock:

Induzierte Ladung

Wenn sich eine Person in einem elektrischen Feld befindet und einen geladenen Gegenstand, beispielsweise eine Filmrolle, in der Hand hält, ist es möglich, dass sich ihr Körper auflädt.

Die Ladung verbleibt im Körper des Bedieners, wenn er Schuhe mit isolierender Sohle trägt, bis er das geerdete Gerät berührt. Die Ladung fließt zu Boden und trifft die Person. Dies geschieht auch, wenn der Bediener geladene Gegenstände oder Materialien berührt – durch die isolierenden Schuhe staut sich die Ladung im Körper. Wenn der Bediener die Metallteile des Geräts berührt, kann sich die Ladung entladen und einen Stromschlag verursachen.

Wenn Menschen auf synthetischen Teppichen laufen, entsteht durch den Kontakt zwischen dem Teppich und den Schuhen statische Elektrizität. Die Elektroschocks, die Autofahrer beim Aussteigen aus dem Auto bekommen, werden durch eine Ladung ausgelöst, die sich beim Aufstehen zwischen dem Sitz und der Kleidung aufbaut. Die Lösung dieses Problems besteht darin, ein Metallteil des Autos, beispielsweise einen Türrahmen, zu berühren, bevor man es vom Sitz hebt. Dadurch kann die Ladung sicher durch die Fahrzeugkarosserie und die Reifen zum Boden abfließen.

Durch die Ausrüstung verursachter Stromschlag

Ein solcher Stromschlag ist möglich, kommt aber weitaus seltener vor als Schäden durch das Material.

Wenn die Aufwickelspule stark aufgeladen ist, kommt es vor, dass die Finger des Bedieners die Ladung so stark konzentrieren, dass sie den Bruchpunkt erreicht und es zu einer Entladung kommt. Auch wenn sich ein ungeerdeter Metallgegenstand in einem elektrischen Feld befindet, kann er sich mit einer induzierten Ladung aufladen. Da ein Metallgegenstand leitend ist, entlädt sich die mobile Ladung auf die Person, die den Gegenstand berührt.