Разряды статического электричества

Под статическим электричеством понимают совокупность явлений, связанных с возникновением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности, или в объеме диэлектриков, или на изолированных проводниках.

Образование и накопление зарядов на перерабатываемом материале связано с двумя условиями. Во-первых, должен произойти контакт поверхностей, в результате которого образуется двойной электрический слой. Во-вторых, хотя бы одна из контактирующих поверхностей должна быть из диэлектрического материала. Заряды будут оставаться на поверхности после их разделения только в том случае, если время разрушения контакта меньше времени релаксации зарядов. Последнее, в значительной степени, определяет величину зарядов на разделенных поверхностях.

Двойной электрический слой — это пространственное распределение электрических зарядов на границах соприкосновения двух фаз. Такое распределение зарядов наблюдается на границе металл — металл, металл — вакуум, металл — газ, металл — полупроводник, металл — диэлектрик, диэлектрик — диэлектрик, жидкость — твердое тело, жидкость — жидкость, жидкость — газ.

Основная величина, характеризующая способность к электризации, — удельное электрическое сопротивление поверхностей контактируемых материалов. Если контактирующие поверхности имеют низкое сопротивление, то при разделении заряды с них стекают и раздельные поверхности несут незначительный заряд. Если же сопротивление высокое или велика скорость отрыва поверхностей, то заряды будут сохраняться.

Следовательно, основные факторы, влияющие на электризацию веществ, — их электрофизические параметры и скорость разделения.

Условно принято, что при удельном электрическом сопротивлении материалов менее 10⁵ Ом•м заряды не сохраняются и материалы не электризуются.

Опытами установлено, что при соприкосновении (трении) двух диэлектриков тот из них, который имеет большее значение диэлектрической проницаемости, заряжается положительно, в то время как материал с меньшей диэлектрической проницаемостью заряжается отрицательно.

Под разрядами статистического электричества понимают процессы выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, несущими разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми разрядными явлениями. При возникновении искр могут воспламениться горючие газы или пары, или инициироваться взрывоопасные смеси, а вызванные разрядами электромагнитные поля могут повредить электронные элементы, вывести из строя или нарушить функции электронного оборудования.

Заряды статического электричества, вызывающие опасные воздействия, могут возникать различными путями. Однако при изготовлении и применении электронных элементов и приборов существенны два механизма электризации: за счет индукции и трения.

Наиболее часто встречающаяся форма возникновения паразитных электростатических зарядов — электризация трением. Она возникает, если два различные первоначально нейтральные тела (или две субстанции) А и В соприкасаются, трутся друг о друга, а затем разъединяются. Одно тело передает электроны другому и заряжается положительно, а тело, получившее электроны, — отрицательно. Полярность и значение зарядов зависят, с одной стороны, от таких свойств материалов тел, как структура материала и поверхности, диэлектрическая проницаемость, объемная и поверхностная электрическая проводимость, а с другой — от ряда внешних факторов, например, от размера контактной поверхности, интенсивности трения, силы сжатия тел перед разделением, скорости разведения, температуры, влажности воздуха, причем последняя имеет очень большое влияние.

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды — от 3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости C_AB тел между собой:

U_AB=Q/C_AB.

Рис. 3.11 иллюстрирует влияние используемых материалов, а также относительной влажности воздуха на величину напряжения, которое может быть получено при электризации.

Паразитная электризация трением проявляется в промышленности вследствие контакта тела человека с его одеждой, с сидением, с полом, с рабочими средствами и предметами, а также при соприкосновении деталей, панелей, приборов с устройствами для обработки. Процессы трения могут быть обусловлены как естественными движениями тел, нормальными рабочими операциями, такими технологическими процессами и операциями, как вентиляция, продувка, опрыскивание, распыление, упаковка и распаковка, загрузка, а также сотрясениями, вибрациями при транспортировке. В табл. 3.1 приведены характерные значения электростатических напряжений. Напряжения лежат в пределах 0,1−20 кВ, что значительно выше допустимых для электронных элементов.

Таблица 3.1. Ориентировочные значения напряжений статических зарядов при относительной влажности воздуха 24% и температуре 21 ⁰С.

С электронными деталями, элементами и приборами необходимо особенно осторожное обращение, чтобы избежать их повреждения из-за электростатических явлений.

Особое значение при обращении с электронными приборами имеет возможный электростатический заряд тела человека, попадающий на переключающие схемы, печатные платы, элементы управления, корпусы приборов при их транспортировке, монтаже, испытаниях, эксплуатации, ремонте и сервисном обслуживании. Тело человека обладает ёмкостью относительно земли пФ. Если человек идет по полу с синтетическим покрытием, то эта емкость может зарядиться приблизительно до U_max=15 кВ, накопленная энергия.

мДж.

При приближении человека к заземленному корпусу электронного прибора произойдет искровой разряд, и так как обычно соблюдается условие.

то будет иметь место апериодический процесс.

Наиболее сильное воздействие разрядов статистического электричества получается тогда, когда в руке имеется металлический предмет (ключ, отвёртка, проводящие браслеты и т. д.). В этом случае крутизна тока, определяющая индуктированные напряжения помех, может достигать 100 А/нс.

Наблюдаются также разряды статистического электричества в компьютерных залах, кабинетах управления, испытательных помещениях с подвижных предметов (кресел, приборных тележек, полок с печатной бумагой, пылесосов) на корпусы электронных приборов при их случайном касании.

Каждый разряд статистического электричества сопровождается электрическими и магнитными полями.

При этом в непосредственной близости от разряда создаётся электрическое поле 4 кВ/м на расстоянии до 10 см и 1 кВ/м на расстоянии 20 см. Аналогично, магнитное поле равно 15 А/м на расстоянии 10 см и 4 А/м на расстоянии 20 см.

Основными методами предотвращения вредного воздействия электростатических разрядов и ограничений несанкционированного функционирования средств электроники под их воздействием являются: предотвращение или ограничение накопления зарядов; отвод или нейтрализация неизбежно возникающих паразитных зарядов; сведение к минимуму разрядных эффектов.

При разряде статистического электричества чаще всего наблюдаются сбои в работе высокоскоростных цифровых узлов, а также цифровых интерфейсных элементов. При подаче на разъёмы, клавиатуры, элементы индикации и т. п. возможно физическое повреждение интерфейсных элементов.

Особенно опасно воздействие разрядов статического электричества на незащищенные узлы аппаратуры. Поэтому при любых ремонтных и наладочных работах нужно соблюдать требования электростатической безопасности. При профессиональной сборке аппаратуры используют антистатические покрытия и т. п. В условиях эксплуатации эти требования удаётся выполнить не всегда. Однако минимальные меры предосторожности соблюдать всё же стоит: например, перед прикосновением к узлам аппаратуры следует дотронутся до заземленных металлоконструкций, что позволит снять избыточный заряд.