Основные сведения о статическом электричестве

Под СЭ принято понимать электрические заряды, находящиеся в состоянии относительного покоя, распре­деленные на поверхности или в объеме диэлектрика или на поверхности изолированного проводника. Перемеще­ние зарядов СЭ в пространстве обычно происходит вме­сте с наэлектризованными телами.

По физико-химическому строению все вещества элек­трически нейтральны, т. е. обладают равным количест­вом положительных и отрицательных зарядов. Тело является наэлектризованным, если содержит избыток электрических зарядов какого-либо одного знака. Про­цесс электризации заключается в том, что одно тело приобретает или отдает другому электрические заряды преимущественно одного знака. Обмен зарядами между взаимодействующими телами происходит на границе их соприкосновения или вблизи ее за счет сложных физи­ко-химических процессов. Два электрически нейтраль­ных тела, приведенных в соприкосновение, после нару­шения контакта между ними могут оказаться наэлек­тризованными зарядами противоположного знака. Мерой электризации является количество электрического заря­да, перешедшего с одного тела на другое в ходе их взаимодействия.

Наиболее ярко способность к электризации проявля­ется у диэлектрических материалов. Диэлектриками называются такие вещества, в которых не происходит передвижения зарядов под действием электрического поля подобно тому, как это имеет место в проводниках. Эти материалы оказывают большое сопротивление про­хождению через них электрического тока.

Идеальных диэлектриков, совершенно не проводящих электрический ток, в природе не существует, поэтому проводимость любого диэлектрика не равна нулю. Сле-

довательно, даже самый лучший диэлектрик способен рассеивать заряды, сообщенные ему в результате элек­тризации, однако процесс этот происходит значительно медленнее, чем у проводников.

Электрические свойства диэлектрика характеризуют удельной объемной электропроводностью у, См/м, т. е. способностью единицы объема материала проводить электрический ток. Кроме объемной электропроводности, большое значение для электризации имеет поверхност­ная электропроводность материала у_а, См. Поверхност­ная электропроводность может быть существенно выше объемной за счет наличия на поверхности диэлектрика всякого рода загрязнений, пленки влаги с растворенны­ми в ней различными веществами и т. п., что способст­вует увеличению токов утечки. На величину поверхност­ной электропроводности большое влияние оказывают температура и влажность окружающего воздуха. По­верхностная электропроводность часто играет опреде­ляющую роль как в самом процессе электризации, так и в ходе рассеяния зарядов СЭ.

В процессах электризации могут участвовать и так­же сами электризоваться проводниковые и полупровод­никовые материалы. Электризация тел в большой степе­ни зависит от природы носителей заряда в объеме и в пограничном слое электризующегося материала. В за­висимости от химической природы и физической струк­туры вещества различают три основных вида проводи­мости: электронную, ионную и молионную.

При электронной проводимости носителями заряда являются электроны. Этот вид проводимости более все­го характерен для проводников, в частности металлов. При электризации металлы легко теряют и приобрета­ют электроны. В случае ионной проводимости носителя­ми заряда являются ионы самого вещества, примесей и диссоциировавших электролитов. Ионная проводимость характерна для кристаллических веществ, смол, лако­вых пленок, компаундов, стекла, жидкостей. Молионная проводимость близка по механизму к ионной. Она ха­рактерна для коллоидных систем — эмульсий и сус­пензий.

Носителями заряда в коллоидных системах вы­ступают заряженные группы молекул или частиц дисперсной фазы, называемые молионами. Молионная проводимость наблюдается у заряженных и увлажнен-

ных жидких диэлектрических материалов, лаков, ком­паундов, нефтепродуктов, масел и т. п.

В реальных условиях за счет загрязнений и влаги в процессах электризации и рассеяния зарядов могут иметь место одновременно все три вида проводимости.

Алгебраическая сумма потерянных или приобретен­ных телом в результате электризации зарядов состав­ляет его суммарный электрический заряд щ. Оценивая наэлектризованность вещества, особенно при больших массах и больших геометрических размерах, пользуют­ся удельной поверхностной или объемной плотностью заряда. Если избыточные заряды, полученные в резуль­тате электризации, располагаются на поверхности, как это, например, имеет место у твердых диэлектриков (при разделении пластин, сматывании рулонов бумаги, ткани и т. п.), пользуются оценкой поверхностной плотности заряда. При этом определяется ее усредненное значе­ние, Кл/м², т. е.

а=д/8,

где д — суммарный заряд; 5 — площадь наэлектризован­ной поверхности, м².

К оценке наэлектризованное™ через среднюю объем­ную плотность заряда прибегают, когда в результате электризации заряды распределены во всей массе ди­электрика. Наиболее характерным примером в этом случае являются наэлектризованные сыпучие вещества, поступающие в приемный бункер, и жидкие диэлектри­ки, например нефтепродукты, закачиваемые в резерву­ар. Усредненное значение объемной плотности заряда равно, Кл/м³:

р=я/у,

где V — объем наэлектризованного продукта, м³.

В некоторых технологических операциях, связанных с обработкой или изготовлением продукции в виде ни­тей, лент и т. п., удобнее пользоваться оценкой наэлек-тризованности в виде удельного заряда, приходящегося на единицу длины, Кл/м:

ю=<7//,

где / — длина, м.

Взаимодействие зарядов СЭ подчиняется известным законам электростатики: разноименные заряды притяги-

ваются, одноименные — отталкиваются. Поскольку заря­ды СЭ, сообщенные диэлектрическим материалам в ре­зультате электризации за счет низкой электропроводнос­ти, оказываются как бы закрепленными в отдельных точках, то наэлектризованные тела или их участки, несу­щие заряды СЭ, оказывают силовое воздействие друг на друга. Это явление легко наблюдать на практике. Напри­мер, два листа бумаги слипаются или отталкиваются в зависимости от знака находящихся на них зарядов. В текстильном производстве при обработке синтетических материалов наблюдается распушивание отдельных во­локон. Происходит это потому, что все волокна нити при прохождении через направляющий ролик электризуются одним знаком.

В окружающем заряды пространстве образуется электрическое поле, действие которого проявляется и обнаруживается при внесении в него заряженных и ней­тральных предметов, как проводников, так и непроводни­ков. Основными параметрами, характеризующими элек­трическое поле зарядов, являются напряженность элек­трического поля и потенциалы его отдельных точек.

Напряженность электрического поля в данной точке Е, В/м, есть векторная величина, равная отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к величине этого заряда. В каждой точке пространства, в котором имеются электрические заряды, напряжен­ность электрического поля имеет определенное значение в зависимости от конфигурации наэлектризованного те­ла, электропроводности его и характера распределения заряда по поверхности или в объеме. Графически элек­трическое поле зарядов изображают в виде силовых линий, густота которых пропорциональна напряженно­сти электрического поля в данной точке пространства (рис. I). Силовые линии электрического поля зарядов всегда замкнуты и оканчиваются на зарядах противопо­ложного знака. Если в пространстве помещен уединен­ный электрический заряд одного знака, то принято считать, что силовые линии создаваемого им поля замы­каются на индуцированных им зарядах противополож­ного знака в бесконечности. Практически за бесконеч­ность принимают поверхность земли или заземленные предметы. Таким образом, в пространстве между на­электризованным телом и заземленными предметами всегда имеется электрическое поле, а на поверхности за-

земленных предметов — индуцированные заряды проти­воположного знака (рис. 1,6).

Энергетические характеристики электрического поля определяются потенциалами точек этого поля. Потен­циалом любой точки электрического поля является энер­гия, которую необходимо затратить для того, чтобы пе­реместить единицу электрического заряда одного знака с зарядом, создающим электрическое поле, из бесконеч-

Рлс. 1. Электрические поля простейших конфигураций.

а — заряд, сосредоточенный в точке; б — заряд, расположенный над зазем­ленной поверхностью; в — уединенная сфера с зарядом д. равномерно распре­деленным по объему илн поверхности; г — уединенная плоскость с поверхно­стной плотностью о; д — плоский конденсатор с зарядом д; е — цилиндриче­ский конденсатор с зарядом на единицу длины со; Е — напряженность электри­ческого поля; ср — эквипотенциальная поверхность; г — координата по радиу­су; 5 — площадь; г„ — радиус сферы; п н г₂ — радиусы внутреннего и внеш­него цилиндров конденсатора; й — расстояние между обкладками конденса­тора.

ности в данную точку поля. При этом потенциал беско­нечно удаленных от заряда точек принимается равным нулю. На практике за поверхность нулевого потенциала принимают поверхность земли и проводящие метал­лические тела, связанные с землей.

В точке нахождения электрического заряда потенци­ал создаваемого этим зарядом поля достигает своего наибольшего значения.

В табл. 1 приведены расчетные формулы для вычис­ления параметров электрического поля простейших кон­фигураций.

2—671

Поверхности, расположенные в пространстве, окру­жающем электрические заряды, на которых потенциалы всех точек равны, называются поверхностями равного потенциала или эквипотенциальными. Поверхности всех проводящих тел, находящихся в электростатическом по­ле, всегда эквипотенциальны. Отсюда следует, что если проводящее тело заземлено, потенциалы всех его точек равны нулю.

Таблица I

Формулы для расчета электрического поля простейших конфигураций (рис. 1)

Система геометрического расположения зарядов	Потенциал поля	Напряженность электрического поля
Уединенный заряд д Уединенная сфера с зарядом 17, равномерно распределенным по объему или по поверхности при /•> /■„ Поле уединенной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда о Плоский конденсатор с зарядом на обкладках ^ Уединенный цилиндр или элек-^ трическая ось бесконечной ■ длины с зарядом на единицу длины со Цилиндрический конденсатор с зарядом на единицу Ц длины обкладок со	_______ ч_ ■ 4пеесг __________ <7 _ • 4гсее0г СО г Т 2пее0 г,	Г 9
^~ 4пе0егг г д
^ ~ 4пеЕогг с Е = ----------- «о Е- « ее05 СО Е = ~2гсеё„г СО Е = -* ггсее0г

е₀—диэлектрическая проницаемость вакуума е₀ = 8,85-10-^|я Ф/м; «—относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Потенциал заряженного тела по отношению к земле или к любой другой поверхности нулевого потенциала зависит от геометрических размеров тела и его коорди­нат. При их неизменности потенциал тела определяется зарядом. Геометрические параметры (размеры, конфи­гурация, расстояние до поверхности (нулевого потенци­ала), а также среда, в которой распространяется элек­трическое поле, определяют электрическую емкость тела

по отношению к поверхности нулевого потенциала. При этом потенциал тела определяется следующим соотноше­нием, В:

Ц=Ч/С,

где С — электрическая емкость тела, Ф.

Приведенное соотношение справедливо лишь для проводящих тел, поверхность которых эквипотенциальна и внутри которых отсутствует электрическое поле. При­менительно к диэлектрикам можно говорить об условной емкости лишь в простейших случаях, когда тело пред­ставляет собой плоскость с равномерно распределенным зарядом или имеет другую несложную конфигурацию, применительно к которой возможна приближенная оцен­ка емкости. Измерить емкость диэлектрика непосред­ственно невозможно.

Из соотношения между емкостью, потенциалом и за­рядом следует важный вывод. Несмотря на то, что по­тенциал прямо пропорционален заряду, по одному потен­циалу еще нельзя судить, насколько сильно наэлектри­зовано тело, т. е. как велик его заряд. Если при одном и том же заряде тела его удалять от земли и заземлен­ных предметов, то емкость его будет уменьшаться, а по­тенциал соответственно возрастать. Следовательно, ха­рактеризуя наэлектризованность тела потенциалом, для оценки его заряда необходимо иметь данные о его электрической емкости.

Из числа наиболее часто встречающихся на практике схем расположения взаимодействующих тел можно вы­делить параллельное расположение двух плоскостей. Например, нахождение листа бумаги или пластика на подложке, движение наэлектризованной поверхности ткани или транспортерной ленты над заземленной повер­хностью и т. д. Подобные варианты расположения с не­которыми допущениями для практических оценок на­электризованное™ сводятся к схеме плоского конденса­тора.

Для цилиндрических систем, например, движение по­лотна вокруг валка, движение порошка по трубе при пневмотранспортировании и т. п., определение электри­ческой емкости могут быть сведены к вычислению ем­кости цилиндрического конденсатора.

При вычислении емкости важно правильно учитывать лиэлектрическую проницаемость среды. Например, если

2* 11

тело в виде наэлектризованной пластины находится над заземленной поверхностью на расстоянии, намного пре­вышающем толщину пластины, то достаточно в качестве диэлектрика учитывать только толщину слоя воздуха между пластиной и заземленной поверхностью. Если же наэлектризованная пластина расположена на заземлен­ной проводящей тюдложке, необходимо учитывать ди­электрическую проницаемость самой пластины. Если пластина состоит из нескольких слоев с различной ди­электрической проницаемостью, результирующая емкость вычисляется по общему правилу для последовательно соединенных конденсаторов.

При известной емкости наэлектризованного тела и усредненном значении потенциала на его поверхности легко вычислить энергию создаваемого зарядами СЭ поля, Дж,

Возможность искрообразования с наэлектризован­ных предметов и материалов определяется напряжен­ностью электрического поля на их поверхности. Пос­кольку чаще всего основным изолятором, отделяющим наэлектризованное тело от близко расположенных зазем­ленных предметов, является воздух, то его электричес­кая прочность определяет максимальную напряженность электрического поля на поверхности наэлектризован­ных тел.

В однородном электрическом поле в воздухе при нормальных условиях развитие электрических разрядов начинается при напряженности электрического поля около 3-Ю³ кВ/м (30 кВ/см). Таким образом, когда на­пряженность электрического поля у поверхности тела превышает эту величину, происходит развитие разряда в воздушном промежутке.

В системах с резко неоднородным электрическим полем возможно развитие незавершенных электрических разрядов. Так, например, напряженность поля у по­верхности наэлектризованного уединенного цилиндра при постоянной линейной плотности заряда на единицу длины возрастает обратно пропорционально уменьше­нию радиуса цилиндра (см. табл. 1). Чем меньше ра­диус кривизны поверхности цилиндра, тем выше напря­женность электрического поля у его поверхности. Таким

образом, вблизи наэлектризованных предметов, имею­щих малый радиус кривизны, напряженность электриче­ского поля может стать больше ее критического значе­ния, при котором начинается развитие газового разряда в воздухе. При этом область, охваченная разрядом,. определяется границей, за которой напряженность элек­трического поля уже недостаточна для дальнейшего распространения электрического разряда. Такой неза­вершенный разряд вблизи электродов с малым ра­диусом кривизны называют коронным. Стабильно ко­ронный разряд развивается с металлических предметов (заостренных стержней, игл, тонких проволок и т. п.) при постоянстве потенциала на них. Внешне коронный разряд может проявляться в слабом потрескивании и наблюдаемом в темноте голубоватом свечении около коронирующего электрода, а также в появлении запаха озона.

На практике однородные поля встречаются сравни­тельно редко. Чаще всего конструктивные элементы машин и аппаратов, а также обрабатываемые изделия, на которых происходит скопление зарядов СЭ, имеют всякого рода неровности и выступающие детали. При этом с выступающих деталей может наблюдаться обра­зование электрических разрядов как в форме короны, так и искровых в зависимости от конфигурации поверх­ности деталей и энергии поля. Обычно видимый разряд развивается не с самого наэлектризованного диэлектри­ка, который может быть плоским, а значит, электриче­ское поле у его поверхности близко к однородному, а с близко расположенных заземленных металлических предметов. Так, например, на окончании заземленного стержня, находящегося около наэлектризованного ди­электрика, индуцируется электрический заряд с боль­шой поверхностной плотностью, что создает высокую напряженность электрического поля. В случае достиже­ния критического значения напряженности (начальной напряженности разряда) у конца стержня начнется раз­витие электрического разряда в воздухе в сторону на­электризованной поверхности диэлектрика. Обычно ви­димый четко сформированный искровой канал разряда СЭ вблизи стержня постепенно размывается на пути к плоскости и у самой поверхности исчезает, переходя в диффузное свечение над поверхностью. Объясняется это тем, что заряды наэлектризованной диэлектрической

1ър+~Ш^&У'Х УУУУ^А разрядном промежутке. " 1'01Х'М^1^^1??^^з:^^??<к?-А| Особенности электри-

^^у^тп^.^;;...^

поверхности, образующие электрическое поле в разряд­
ном промежутке, распределены по разным точкам
поверхности и из-за низкой электропроводности не
могут стекать в канал разряда. Изменение энергетиче­
ских характеристик электрического поля в разрядном
промежутке в этом случае происходит в основном за
счет осаждения из воздуха на наэлектризованную по­
верхность ионов противоположного знака, возникших
в результате разряда. Таким образом, низкая поверх­
ностная электропровод­
ность диэлектрика огра­
ничивает количество
дэс энергии, выделяющейся в