الكهرباء الساكنة الكهروستاتيك Electrostatics

بسم الله الرحمن الرحيم

الكهرباء الساكنة - الظاهرة الكهروستاتيكية -  

Electrostatic phenomenon

جميع المواد تختلف في الدرجة التي يمكن للشحنات الكهربائية المرور خلالها . الموصلات تسمح للشحنات في التدفق، بينما العوازل تعيق حركة الشحنات. الكهرباء الساكنة هو الحقل المخصص لدراسة الشحنات أو الاجسام المشحونة. تنتج الكهرباء الساكنة عندما يتم تراكم الشحنات الكهربائية التي لا تنتقل حتى على المواد إذا كانت الشحنات تتدفق ينتج التيار الكهربي و الكهرباء لم تعد ساكنة .

التيار الناتج من الشحنات المتحركة عادة ما يشار إليه عامة الناس بالكهرباء . الكهرباء الساكنة هو مصطلح يستخدم للدلالة أي عملية تؤدي إلى انفصال للشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة . يتم قياس التوصيل بخاصية تسمى الموصلية conductance ، في حين يتميز العازل بالمقاومة لها. انفصال الشحنة يؤدي إلى الكهرباء التي يمكن أن تحدث نتيجة للعمليات الميكانيكية على سبيل المثال، الاتصال بين الأجسام و الاحتكاك، أو اصطدام سطحين . يمكن أن تكون السطوح اثنين من المواد الصلبة أو المواد الصلبة و السائلة. تركز هذه المقالة على الاتصال والاحتكاك.

- عمليات الكهربة : Electrification Processes

كان من المعروف ظاهرة توليد الكهرباء الساكنة بالاحتكاك ( The TriboElectric effect) لآلاف السنين. الاتصال بين اثنين من مواد كافية لإحداث الكهربة . الاحتكاك هو مجرد نوع من التفاعل مما يزيد من مساحة الاتصال ويولد حرارة ،

الاحتكاك هو مصطلح عام لوصف حركة جسمين في الاتصال بضغط، سرعته و الحرارة المتولدة هي المحددات الرئيسية للشحنة التي تم إنشاؤها بواسطة الاحتكاك . أحيانا الاحتكاك يؤدي الى تمزيق كم من الجزيئات الصلبة .

عندما يكون اثنين من المواد الصلبة في اتصال (اتصال معدن معدن)، تهاجر الإلكترونات من مادة إلى أخرى. ويتميز كل معدن بواسطة فروق الجهد الأولية  (جهد فيرمي)، وطبيعة التحركات دائما نحو التوازن هذه هي، الظواهر الطبيعية تعمل على القضاء على الاختلافات في الجهد . لهذه الهجرة للإلكترونات نتائج في توليد جهد اتصال . لأن الشحنات في المعادن لها حركة عالية (المعادن موصلات ممتازة)، فإن الشحنات تتحد حتى في آخر نقطة اتصال قبل أن يتم فصل المعدنين . وبالتالي فإنه من المستحيل انتاج الكهرباء من خلال جمع معدنين ثم الفصل بينهما لأن الشحنات تتدفق دائما للقضاء على فرق الجهد .

عندما يكون معدن و عازل في اتصال خالي  تقريبا من الاحتكاك  في الفراغ، و مستوى طاقة الالكترونات في المعدن يقترب من مستوى التقارب في  العازل. سطح أو الشوائب السائبة تسبب لهذا أن يحدث، وكذلك منع التقوس الكهربي (تفريغ الكهرباء بين جسمين مشحونين - الأقطاب) عند انتهاء الانفصال

تنتقل الشحنة من المعدن إلى العازل بحسب التقارب الإلكتروني ( مدى ارتباط الالكترونات بالذرة ) ، وكل عازل يحتوي أيضا على التقارب الإلكتروني، أو الجذب الالكتروني ، و بالتالي فإن نقل الأيونات الموجبة أو السالبة من العازل الى المعدن هو ممكن أيضا . يرد وصف هذا الشحن على السطح بعد الاتصال والانفصال بالمعادلة 1 في الجدول 1.

الجدول 1. العلاقات الأساسية في الكهرباء الساكنة - مجموعة من المعادلات

المعادلة 1: شحن عن طريق اتصال "ملامسة" المعدن و مادة عازلة :

بشكل عام، كثافة الشحنة السطحية “the surface charge density “ ( ) بعد الاتصال والانفصال

ويمكن التعبير عنها بـ:

حيث

e هو شحنة الإلكترون

NE هو كثافة حالة طاقة لسطح العازل

fi هو تقارب الالكترون للعازل

fm هو تقارب الإلكترون من المعدن

المعادلة 2 : الشحن بعد الاتصال بين اثنين من العوازل :

الشكل العام التالي من المعادلة 1 ينطبق على انتقال الشحنة بين اثنين من العوازل مع اختلاف حالات الطاقة (السطوح نظيفة تماما فقط) :

حيث NE1 وNE2 هي حالة كثافة الطاقة على سطح العوازل ،وO1 و O 2 هي التقارب الالكتروني للعوازل .

المعادلة 3 : الحد الأقصى لكثافة الشحنة للسطح :

القوة عازلة (EG) من الغاز المحيط تفرض حدا أعلى لهذه الشحنة، من الممكن توليد على سطح العزل المسطحة في الهواء ، EG ما يقرب من 3 mv/m.

يتم إعطاء أقصى كثافة شحنة للسطح من خلال :

المعادلة 4 : الشحنة الأقصى على الجسيمات الكروية :

عندما تكون أبعاد الاجسام الكروية مشحونة بتأثير الهالة،

و يرد الحد الأقصى للشحنة التي يمكن الحصول على لكل جسم بواسطة الحد Pauthenier في :

حيث

qmax هو الحد الأقصى للشحنات

A هو دائرة نصف قطرها الجسيمات

EI هي السماحية النسبية

المعادلة 5: التفريغ من الموصلات :

 الجهد لموصل معزول يحمل شحنة Q بواسطة V = Q / C و

الطاقة المخزنة بواسطة:

المعادلة 6 : دوام جهد الموصل المشحون :

في موصل مشحون بواسطة تيار ثابت (IG) ، دوام الجهد يوصف بــ :

حيث Rf هو مقاومة تسرب للموصل

المعادلة 7 : الجهد النهائي لموصل مشحون :

و بدوام وقت طويل، T> Rf C، وهذا يقلل إلى:

المعادلة (8): الطاقة المخزونة لموصل مشحون :

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

عندما يكون اثنين من العوازل في اتصال، يحدث نقل للشحنة بسبب اختلاف حالات طاقة سطوحها (المعادلة 2، الجدول 1) . تنتقل الشحنات إلى سطح مادة عازلة ويمكن ان تنتقل أعمق داخل المواد . يمكن للرطوبة و التلوث السطحي ان تعدل سلوك الشحنات إلى حد كبير ، خصوصا الرطوبة السطحية التي تزيد حالة كثافة الطاقة للسطح من خلال زيادة التوصيل للسطح ، و الذي يفضل للشحنة إعادة التركيب و تسهل التنقل الأيوني . معظم الناس سوف تدرك هذه الحقيقة من تجاربهم اليومية حقيقة أنهم يميلون لأن يتعرضوا أكثر إلى الكهرباء الساكنة خلال الظروف الجافة . يشحن المحتوى المائي من بعض البوليمرات (البلاستيك) . الزيادة أو النقصان في محتوى الماء قد يعكس اتجاه تدفق الشحنة ( قطبيتها ) .

القطبية (النسبية الإيجابية و السلبية) لاثنين من العوازل في اتصال مع بعضهم البعض تعتمد على التقارب الإلكتروني لكل مادة . العوازل يمكن تصنيفها بحسب التقارب الإلكتروني ، ويتم سرد بعض القيم التوضيحية في الجدول 2. التقارب الإلكتروني في مادة عازلة هو أحد الاعتبارات الهامة لبرامج الوقاية ، والتي يتم مناقشته لاحقا في هذه المقالة .

الجدول 2. تقارب الإلكترون في البوليمرات مختارة :

نوع الشحنة	المادة	التقارب الالكترونيElectron affinity
_	PVC (polyvinyl chloride)	4٫85
	Polyamide	4.36
	Polycarbonate	4.26
	PTFE (polytetrafluoroethylene)	4.26
	PETP (polyethylene terephthalate)	4.25
	Polystyrene	4.22
+	Polyamide	4.08

المادة تكتسب شحنة موجبة عندما تكون في اتصال مع مادة اعلى منها و شحنة سالبة عندما تكون في اتصال مع مادة أسفل منها في الترتيب . التقارب الإلكتروني لمادة عازلة متعدد العوامل،

على الرغم من محاولات لإنشاء سلسلة كهرباء الاحتكاك ( triboelectric series ) التي من شأنها ترتيب المواد بحيث تلك التي تكتسب شحنة موجبة على اتصال مع المواد الاعلى منها في السلسلة من تلك التي تكتسب شحنة سالبة عند الاتصال ، لم يتم إنشاء سلسلة معترف بها عالميا .

عندما يتقابل الصلب و السائل لتشكيل السطح البيني (الصلب – السائل) ، يحدث نقل للشحنة بسبب هجرة الأيونات الموجودة في السائل. و تنشأ هذه الأيونات من تفكك الشوائب التي قد تكون موجودة أو عن طريق تفاعلات الأكسدة و الاختزال الكهروكيميائي . منذ ذلك الحين ، في الممارسة العملية لاتوجد سوائل نقية تماما ، وسيكون هناك دائما ما لا يقل عن بعض الأيونات الموجبة و السالبة في السائل المتوفر لربط السطح البيني السائل الصلب . هناك أنواع عديدة للآليات التي من خلالها قد يحدث هذا الربط (على سبيل المثال ، التصاق الكهرباء الساكنة للأسطح المعدنية ، وامتصاص المواد الكيميائية ، و الحقن الالكتروليتى ، تفكك المجموعات القطبية ، و إذا كان جدار الوعاء معزول و التفاعلات السائلة الصلبة ) .

لأن المواد التي تذوب (تفكك) هي متعادلة كهربائيا في البداية، و سوف تولد أعداد متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة . تحدث الكهربة فقط إذا كانت الشحنات موجبة أو سالبة تفضل الانضمام إلى سطح صلب و في حالة حدوث ذلك ، يتم تشكيل طبقة صغيرة جدا ، والمعروفة باسم طبقة هيلمهولتز Helmholtz layer . و لأن طبقة هيلمهولتز تم شحنها ، فإنه سيؤدي إلى جذب الأيونات من قطبيتها المعاكسة لها . سوف تجتمع هذه الأيونات في طبقة أكثر انتشارا ، والمعروفة باسم طبقة GOUY ، التي تقع على رأس سطح طبقة هيلمهولتز المدمجة . سمك طبقة GOUY يزيد مع مقاومة السائل . تعمل السوائل على تشكيل طبقات GOUY رقيقة جدا .

وهذه الطبقة المزدوجة ستنفصل إذا كان السائل يتدفق ، مع طبقة هيلمهولتز المتبقية المنضمة إلى السطح البيني و طبقة GOUY تصبح مجرورة من قبل السائل المتدفق . حركة هذه الطبقات المشحونة تنتج فروق في الجهد (جهد زيتا the zeta potential) ، و التيار الناجم بواسطة الشحنات المتحركة كما هو معروف بتدفق التيار. كمية الشحنة التي تتراكم في السائل تعتمد على المعدل الذي تنتشر الأيونات نحو السطح البيني و المقاومة النوعية في السائل (r) ، و مع ذلك ، تدفق التيار ثابت على مر الزمن .

لا بالعزل الكبير و لا بإجراء السوائل تصبح المشحونة ، الأول لأن عدد قليل جدا من الأيونات موجودة و الثاني لأنه في السوائل التي توصل الكهرباء بشكل جيد للغاية ، فإن الأيونات ستتحد بسرعة جدا. في الممارسة العملية الكهرباء تحدث فقط في السوائل مع المقاومة النوعية أكبر من 107 Ωm أو أقل من 1011Ωm، وفقا لأعلى القيم الملاحظة لR 109-1011 Ωm .

تدفق السوائل سوف يحفز تراكم الشحنة على الأسطح المعزولة طالما تتدفق . إن مدى كثافة تراكم الشحنة على السطح سيكون محدود بواسطة :

1. مدى سرعة الأيونات في السائل المتحدة مع السطح البيني السائل - الصلب
   (2) مدى سرعة توصيل الأيونات بسرعة في السائل خلال العازل
   (3) ما إذا كان السطح او الانحناء الأكبر خلال العازل وبالتالي يتم تفريغ الشحنة ،   التدفق المضطرب والتدفق على السطوح الخشنة افضل للكهرباء .

عند الجهد الكهربي العالي - عدة كيلو فولت - لجسم مشحون ( قطب كهربي - electrode ) لديه نصف قطر صغير (على سبيل المثال، سلك) ، يكون المجال الكهربائي مرتفع في المناطق القريبة من الجسم المشحون ، لكنه يتناقص بسرعة مع المسافة .

إذا كان هناك تفريغ للشحنة المخزنة ، سيقتصر التفريغ على المنطقة التي يكون فيها المجال الكهربائي أقوى من القوة العازلة للجو المحيط، وهي ظاهرة تعرف باسم تأثير الهالة ، لأن الانحناء أيضا ينبعث منه ضوء . ربما يشاهد الناس في الواقع شرارات صغيرة تشكلت عند التعرض لصدمة من الكهرباء الساكنة .

ويمكن أيضا أن تتغير كثافة الشحنة على سطح عازل بواسطة الإلكترونات المتحركة التي يتم إنشاؤها بواسطة مجال عالي الكثافة الكهربائية . و هذه الإلكترونات ستولد الأيونات من أي جزيئات غاز موجودة في الغلاف الجوي التي تتلامس معها .

عندما تكون الشحنة الكهربائية على الجسم موجبة، فإن الجسم المشحون سيتنافر مع أي أيونات موجبة مما تم إنشاؤها . الإلكترونات التي تكونت بالأجسام المشحونة سلبيا ستفقد الطاقة لأنها تتراجع عن القطب الكهربائي ، و سوف ترتبط بجزيئات الغاز في الغلاف الجوي ، و بالتالي تشكيل الأيونات السالبة التي لا تزال تتراجع بعيدا عن جهات الشحنة . هذه الأيونات الإيجابية و السلبية يمكن أن تأتي إلى بقية أي سطح معزول و سوف تقوم بتعديل كثافة الشحنة على السطح ، هذا النوع من الشحن هو أسهل بكثير للسيطرة وأكثر اتساقا من الشحنات التي أوجدها الاحتكاك . هناك حدودا لمدى توليد الشحنات بهذه الطريقة.

يوصف الحد رياضيا في المعادلة 3 في الجدول 1.

لتوليد شحنات أعلى ، يجب زيادة قوة البيئة العازلة ، إما عن طريق خلق فراغ أو عن طريق تعدين السطح الآخر للعازل . توجه الحيلة الاخيرة الحقل الكهربائي داخل العازل وبالتالي يقلل من شدة المجال في الغاز المحيط بها .

عند تاريض موصل في مجال كهربائي (E) (انظر الشكل 1)، ويمكن أن يتم إنتاج الشحنات بالحث . في ظل هذه الظروف ، فإن المجال الكهربائي يؤدي الى الاستقطاب

- الفصل بين مراكز الثقل للأيونات السالبة والموجبة للموصل . عندما يؤرض " يوصل بالارض " الموصل مؤقتا عند نقطة واحدة فقط ستحمل شحنة صافي عند قطع الاتصال عن الأرض و يرجع ذلك إلى هجرة الشحنات في محيط النقطة . وهذا ما يفسر لماذا توصيل الجزيئات التي تقع في حقل موحد تتأرجح بين الأقطاب عند الشحن والتفريغ في كل اتصال .

الشكل 1. آلية شحن الموصل بواسطة بالحث

المخاطر المرتبطة بالكهرباء الساكنة :

من الآثار السيئة الناجمة عن مدى تراكم الكهرباء الساكنة عند ملامسة جسم مشحون ، مثل مقبض الباب يمكن ان يؤدي إلى إصابات خطيرة جدا ، حتى الوفيات . التأثير الفسيولوجي للتفريغ الكهروستاتيكي على البشر يؤدي إلى اتخاذ حركات عنيفة لا ارادية . ويتم إنتاج هذه الآثار بواسطة تيار التفريغ و خصوصا من خلال كثافة التيار على الجلد .

في هذه المقالة سنقوم بشرح بعض الطرق العملية التي يمكن للأسطح والأشياء أن تصبح مشحونة (كهربيا) . عندما يتجاوز المجال الكهربائي الناجم قدرة البيئة المحيطة على الصمود امام الشحنة ( القوة العازلة للبيئة) يحدث التفريغ .

(في الهواء، يتم وصف القوة العازلة من قبل منحنى باشن " Paschen’s curve “ وهي دالة الضغط الناتج و المسافة بين الأجسام المشحونة ) .

يمكن للتفريغات التخريبية ان تتخذ الأشكال التالية :

• الشرر أو الأقواس التي تربط جسمين مشحونين (قطبين من المعادن) .
   

• التفريغ الجزئي أو الفرشاة الذي يصل القطب الكهربائي المعدني بالعازل ، أو حتى  اثنين من العوازل هي تفريغات جزئية لأن مسار الماس لقطبين من المعادن ليس كامل ، و لكن عادة ما يكون متعدد و يشبه الفرشاة .
  
• هالة التفريغات " corona discharges “ و المعروفة أيضا باسم تأثيرات النقطة التي تنشأ في مجال كهربائي قوي حول الأجسام المشحونة أو الأقطاب التي لها نصف قطر صغير .

 

الموصلات المعزولة لديها صافي سعةcapacitance بالنسبة إلى الأر ض. يتم التعبير عن هذه العلاقة بين الشحنة و الجهد في معادلة 5 في الجدول 1 .

شخص يرتدي أحذية عازلة هو مثال شائع لموصل معزول . الجسم البشري هو موصل كهروستاتيكي ، مع السعة النموذجية بالنسبة إلى الأرض ما يقرب من 150 pf “بيكو فاراد “ و جهد قدره يصل إلى 30 كيلو فولت . و لأن الناس يمكن أن تكون موصلات عازلة ، فإنها يمكن أن تواجه التفريغات الكهربائية ، مثل الإحساس أكثر أو أقل بالالم المنتج في بعض الأحيان عندما تقترب يد من مقبض الباب أو جسم معدني آخر . عندما يصل الجهد الى حوالي 2 كيلو فولت سوف تواجه ما يعادل 0.3 MJ "ميجا جول" من الطاقة ، على الرغم من أن هذا الحد يختلف من شخص لآخر . قد تسبب تفريغات أقوى حركات لاارادية تؤدي إلى السقوط . في حالة العمال الذين يستخدمون أدوات ، قد تكون الحركات المنعكسة اللاإرادية تؤدي إلى وقوع إصابات للضحية و غيرهم من الذين قد يعملون بالقرب منهم .

المعادلات 6-8 في الجدول 1 وصف دوام الجهد .

سوف يحدث الانحناء الفعلي عندما تتجاوز قوة المجال الكهربائي الناجم القوة العازلة للهواء . بسبب الهجرة السريع للشحنات في الموصلات ، و بصفة أساسية تدفق الشحنات إلى نقطة التفريغ وإطلاق كل الطاقة المخزنة على شكل شرارة .

و قد يؤدي هذا لآثار خطيرة عند العمل مع المواد القابلة للاشتعال أو المتفجرة أو الحالات القابلة للاشتعال .

اقتراب القطب المؤرض إلى سطح عازل مشحون يعدل المجال الكهربائي و ينتج الشحنة في القطب . مع اقتراب السطوح من بعضها البعض تزيد شدة المجال ، مما يؤدي في النهاية إلى تفريغ جزئي من السطح المعزول المشحون . لأن الشحنات على الأسطح العازلة لا تتحرك كثيرا ، فقط نسبة صغيرة من الشحنات على السطح تشارك في التفريغ ، وبالتالي فإن الطاقة المنطلقة من هذا النوع من التفريغ هو أقل بكثير مما كانت عليه في أقواس .

يبدو للشحنة و الطاقة المنقولة ان تكون متناسبة مباشرة مع قطر القطب المعدن الكهربائي ، و يصل إلى حوالي 20 ملم . يؤثر الاستقطاب الاولي للعازل أيضا على الشحنة و الطاقة المنقولة . التفريغ الجزئي من السطوح موجبة الشحنة هي أقل في الطاقة من تلك المشحونة سلبا .

فمن المستحيل بداهة تحديد الطاقة المنقولة بواسطة التفريغ للسطح عازل ، على النقيض من الحالة التي تنطوي على السطوح الموصلة . في الواقع ، وذلك لأن سطح العازل ليس متساوي الجهد ، فإنه ليس من الممكن حتى تحديد السعة المعنية .

التفريغ الزاحف :

رأينا في المعادلة 3 (الجدول 1) أن كثافة الشحنة السطحية لسطح عازل في الهواء لا يمكن أن تتجاوز 2،660 pC/cm2ٍ

إذا اعتبرنا صفيحة عازل أو فيلم "بلاستيك" يستريح على المعدن الكهربائي أو له وجه معدني واحد ، فمن السهل إثبات أن المجال الكهربائي يوجه إلى العازل بالشحنات الناجمة عن القطب كما تودع الشحنات على وجهه الغير المعدني . ونتيجة لذلك، فإن المجال الكهربائي في الهواء ضعيف جدا ، و سيكون أقل من ذلك إذا كان أحد الوجوه لم تكن معدنية . في هذه الحالة القوة العازلة للهواء لا تحد من تراكم الشحنة على سطح عازل ، وأنه من الممكن الوصول لكثافة الشحنة السطحية عالية جدا (> 2،660 pC/cm2). تراكم هذه الشحنة يزيد من الموصلية لسطح العازل .

عندما يقترب القطب الكهربائي من سطح العازل ، التفريغ الزاحف الذي أصبح يحدث توصيل ينطوي على نسبة كبيرة من السطح المشحون . بسبب المساحات السطحية الكبيرة المشاركة ، و هذا النوع من التفريغ يطلق كميات كبيرة من الطاقة .

في حالة الأفلام ، المجال الجوي ضعيف جدا، والمسافة بين القطب و الفيلم يجب ألا تكون اكثر من سماكة الفيلم للحصول على تفريغ للشحنات .

قد يحدث التفريغ الزاحف أيضا عندما يتم فصل عازل مشحون من طبقات الطلاء المعدنية التحتية . في ظل هذه الظروف ، يزيد المجال الجوي بصورة مفاجئة و كل سطح العازل يفرغ لإعادة التوازن .

التفريغ الكهروستاتيكي و مخاطر الحرائق و الانفجارات :

في أجواء متفجرة ، قد تنجم تفاعلات أكسدة عنيفة طاردة للحرارة، التي تنطوي على نقل الطاقة إلى الغلاف الجوي ، عن طريق :

- اللهب المكشوف

- شرارات كهربائية

- شرارات الترددات الراديوية بالقرب من مصدر راديو قوية

- الشرر التي تنتجها الاصطدامات (على سبيل المثال، بين المعدن والخرسانة)

- التفريغ الكهروستاتيكي

ونحن مهتمون هنا فقط في الحالة الأخيرة . وتعطى نقاط الوميض ( درجة الحرارة التي تشعل أبخرة السائل على اتصال مع لهب مكشوف) من السوائل المختلفة ، ودرجة حرارة الاشتعال الذاتي لمختلف الأبخرة في قسم المواد الكيميائية من هذه الموسوعة . أخطار الحريق المرتبطة بالتفريغ الكهروستاتيكي يمكن تقييمها بالرجوع إلى الحد الأدنى من القابلية الاشتعال للغازات ، و الأبخرة والهباء الجوي صلبة أو سائلة . قد يختلف هذا الحد إلى حد كبير، كما يوضح الجدول 3 .

الجدول 3 . أقل الحدود النموذجية لقابلية الاشتعال

Discharge	Limit
قليل من البودرة	عدة جول Several joules
Very fine sulphur and aluminium aerosols الكبريت الناعم جدا و هباء الاليمنيوم	عدة ميلي جول Several millijoules
ابخرة الهيدروكربونات و السوائل العضوية الأخرىVapours of hydrocarbons and other organic liquids	200 ميكرو جول microjoules
الهيدروجين و الاكتلينHydrogen and acetylene	20 ميكرو جول 20 microjoules
المتفجرات Explosives	1ميكرو جول 1 microjoule

خليط من الهواء و الغاز أو البخار القابل للاشتعال يمكن أن ينفجر فقط عندما يكون تركيز مادة قابلة للاشتعال هو بين حدود الانفجار العلوي ضمن هذا النطاق ، و الحد الأدنى لطاقة الاشتعال (MIE)، والطاقة التي يمكن من خلالها للتفريغ الكهربائي إشعال الخليط تعتمد على تركيز عالي . و قد تبين أن الحد الأدنى لطاقة الاشتعال يعتمد باستمرار على سرعة إطلاق الطاقة ، و بالتالي على مدة التفريغ ، نصف قطر القطب الكهربائي هو أيضا أحد العوامل :

تنتج الأقطاب الكهربائية ذات القطر الصغير (عدة مليمترات) في التفريغات هالة بدلا من الشرر .

مع أقطاب قطرها أكبر ( عدة سنتيمترات)، كتلة القطب الكهربائي تعمل على تبريد الشرر.

عموما، يتم الحصول على أدنى MIES مع الأقطاب الكهربائية التي هي كبيرة بما يكفي لمنع تفريغات الهالة .

يعتمد MIE أيضا على بعد في جملة القطب الكهربائي ، و أقلا على بعد التبريد ("distance de pincement")، و المسافة التي تنتج الطاقة في منطقة التفاعل تتجاوز الخسائر الحرارية في الأقطاب . و قد أثبتت التجربة أن كل مادة قابلة للاشتعال لديها حد أقصى للمسافة الآمنة ، والمقابلة لاقرب مسافة في جملة القطب الكهربائي الذي يمكن أن يحدث انفجار . للمواد الهيدروكربونية ، و هذا هو أقل من 1 ملم .

احتمال انفجارات المسحوق هو تابع للتركيز . وفقا لأعلى احتمال مرتبط بتركيزات من 200 إلى 500 g/m3. وMIE هو أيضا يعتمد على حجم الحبيبات ، مع مساحيق أدق تنفجر بسهولة أكبر . وMIE يتناقص لكل من الغازات والهباء الجوي ، مع درجة الحرارة .

الأمثلة الصناعية :

كثير من العمليات المستخدمة عادة لمعالجة و نقل المواد الكيميائية تولد شحنات الكهرباء .

من بينها :

- صب مساحيق من أكياس

- الغربلة

- النقل في الأنابيب

- اثارة السائل ، خصوصا في ظل وجود مراحل متعددة ، المواد الصلبة العالقة أو قطرات من السوائل غير قابلة للامتزاج

- رش السائل أو التغشية .

عواقب توليد شحنة كهرباء و تشمل مشاكل ميكانيكية، تشكل خطرا التفريغ الالكتروستاتيكي للعمال و إذا تم استخدام منتجات تحتوي على مذيبات أو أبخرة قابلة للاشتعال حتى الانفجار ( انظر الجدول 4 ).

الجدول 4. الشحنة المحددة المرتبطة بعمليات صناعية مختارة

العمليةOperation	Specific charge (q/m) (C/kg)
الغربلةScreening	10-8–10-11
اوعية التفريغ و الملئSilo filling or emptying	10-7–10-9
النقل بواسطة الناقل الدوديTransport by worm conveyor	10-6–10-8
الطحنGrinding	10-6–10-7
Micronization	10-4–10-7
ناقلات الهواء المضغوطPneumatic transport	10-4–10-6

- الهيدروكربونات السائلة ، مثل النفط والكيروسين و العديد من المذيبات الشائعة ، لها اثنين من الخصائص التي تجعلها حساسة بشكل خاص لمشاكل الكهرباء الساكنة :

المقاومة العالية ، مما يؤدي لتتراكم مستويات عالية من الشحنات

الأبخرة القابلة للاشتعال، والتي تزيد من خطر التفريغات المنخفضة الطاقة تسبب حرائق وانفجارات

قد تتولد الشحنات خلال تدفق السائل (على سبيل المثال، من خلال الأنابيب والمضخات أو الصمامات).

- المرور خلال المرشحات الجيدة ، مثل تلك المستخدمة خلال ملء خزانات الطائرة ، قد يؤدي إلى توليد كثافات شحنة عدة مئات من micro coulombs لكل متر مكعب. ترسيب الجسيمات و توليد الرذاذ المشحون أو الرغاوي أثناء تدفق ملء خزانات يمكن أيضا ان يولد الشحنات.

بين عامي 1953 و 1971 ، كانت الكهرباء الساكنة مسؤولة عن 35 من الحرائق و الانفجارات أثناء أو بعد ملء خزانات الكيروسين، وقعت أكثر الحوادث خلال ملء خزانات الشاحنات . كان وجود مرشحات أو الرش أثناء التعبئة (نظرا لتوليد الرغاوي أو الرذاذ) من عوامل الخطر الأكثر شيوعا التي تم تحديدها. وقعت الحوادث أيضا على متن ناقلات النفط، وخصوصا خلال تنظيف الخزانات .

مبادئ الوقاية من الكهرباء الساكنة

جميع المشاكل المتعلقة الكهرباء الساكنة تنبع من :

1- توليد الشحنات الكهربائية

2- تراكم هذه الشحنات على العوازل أو الموصلات المعزولة

3- المجال الكهربائي الذي تنتجها هذه الشحنات، والتي تؤدي بدورها الى نشر قوة التفريغ التخريبية .

التدابير الوقائية تسعى إلى تجنب تراكم شحنات الكهرباء ، والإستراتيجية التي اختارها هي لتجنب توليد الشحنات الكهربائية في المقام الأول . إذا لم يكن ذلك ممكنا ، ينبغي تنفيذ التدابير الرامية إلى تأريض الشحنات وأخيرا ، إذا كان التفريغ لا مفر منه ينبغي حماية المكونات الحساسة من آثار التفريغات الكهربية .

التقليل أو الحد من توليد شحنات الكهرباء :

وهذا هو الأسلوب الأول لمنع الكهرباء الذي ينبغي القيام به ، لأنه تدبير وقائي يعالج المشاكل من مصدرها . لكن ، و كما نوقش في وقت سابق ، يتم إنشاء الشحنات كلما تلامست و انفصلت مادتين ، واحد منها على الأقل معزول . في الممارسة العملية ، يمكن أن يحدث توليد للشحنة حتى على الاتصال والانفصال للمواد مع نفسها . في الواقع ، توليد الشحنة ينطوي على الطبقات السطحية للمواد . لأن أدنى فرق في الرطوبة السطحية أو في تلوث السطح ينتج توليد الشحنات الاستاتيكية، فإنه من المستحيل تجنب توليد الشحنة تماما .

لتقليل كمية من الشحنات التي تولدها الأسطح المتلامسة :

تجنبوا تلامس المواد إذا كان لديها ارتباط الكتروني عالي ، و إذا كانت بعيدة عن بعضها البعض في سلسلة كهرباء الاحتكاك . على سبيل المثال ، وتجنب الاتصال بين الزجاج و تفلون (PTFE)، أو بين PVC والبولي أميد (النايلون) (انظر الجدول 2).

خفض معدل التدفق بين المواد . على سبيل المثال، يمكن للمرء أن يقلل من معدل تدفق حركة المواد المسحوقة على الناقل ، أو السوائل في خط أنابيب .

لم توضع حدودا نهائية للسلامة لمعدلات التدفق . المعيار البريطاني BS-5958-الجزء 2 مدونة قواعد الممارسة لمراقبة الكهرباء الساكنة غير المرغوب فيها و يوصي أن السرعة الناتجة (بـ متر في الثانية الواحدة)، وقطر الماسورة (بالأمتار) يكون أقل من 0.38 للسوائل مع موصلية أقل من 5 pS/m م (في بيكو سيمنز للمتر) وأقل من 0.5 للسوائل مع موصلية فوق 5 ب س / م. هذا المعيار صالحا فقط لنقل السوائل على مرحلة واحدة بسرعة لا تزيد عن 7 م / ث .

وتجدر الإشارة إلى أن التقليل من سرعة التدفق لا يقلل فقط من توليد الشحنات ولكن أيضا يساعد على تبديد اية شحنات تم انشائها . لأن أقل سرعة تدفق في أوقات الإقامة التي هي أعلى من تلك التي ترتبط مع مناطق الاسترخاء ، حيث يتم تخفيض معدلات تدفق بواسطة استراتيجيات مثل زيادة قطر الماسورة . وهذا بدوره يزيد التأريض .

التأريض " توصيل بالارض " الكهرباء الساكنة :

القاعدة الأساسية لمنع الكهرباء هو القضاء على فروق الجهد بين الاجسام و يمكن أن يتم هذا من خلال تأريضهم (التوصيل الأرضي) . الموصلات المعزولة مع ذلك يمكن أن تتراكم عليها الشحنات و بالتالي قد تصبح مشحونة بواسطة الحث و هي ظاهرة فريدة من نوعها . قد ياخذ تفريغ الشحنة للموصلات شكل طاقة عالية و خطيرة في ذات الوقت الشرر .

هذه القاعدة تتسق مع التوصيات المتعلقة بالوقاية من الصدمات الكهربائية ، و التي تتطلب أيضا لجميع الأجزاء المعدنية التي يمكن الوصول إليها من المعدات الكهربائية ان توصل بالارض كما هو الحال في المنشآت الفرنسية التي لها مستوى جهد كهربائي منخفض (NFC 15-100). لأقصى درجات سلامة الكهرباء ، ما يعنينا هنا ، ينبغي أن تعمم هذه القاعدة على جميع عناصر التوصيل . وهذا يشمل إطارات معدنية للطاولة ، مقابض الأبواب ، و المكونات الإلكترونية ، والدبابات المستخدمة في الصناعات الكيميائية ، و هيكل السيارات المستعملة لنقل المواد الهيدروكربونية .

من وجهة نظر السلامة من الكهروستاتيكية ، فإن العالم المثالي سيكون كل شيء فيه موصل وسوف يؤرض بشكل دائم ، وبالتالي نقل جميع الشحنات في الأرض . في ظل هذه الظروف ، فإن كل شيء يكون متساوي الجهد و الحقل الكهربائي بشكل دائم، و ستكون مخاطر التفريغ بالتالي صفر. و مع ذلك، فإنه لا يكاد يكون من الممكن تحقيق هذا المثل الأعلى ، وذلك للأسباب التالية :

ليست كل المنتجات التي يجب التعامل معها هي موصلة، و الكثير لا يمكن توصيه باستخدام المواد المضافة . المنتجات الزراعية والصيدلانية ، والسوائل عالية النقاء ، ومن الأمثلة على هذه .

خصائص المنتج النهائي المرغوب فيه ، مثل الشفافية أو بصرية أو الموصلية الحرارية المنخفضة ، قد يحول دون استخدام مواد موصلة.

فمن المستحيل لتأريض المعدات المتنقلة مثل عربات المعدنية، والأدوات الإلكترونية اللاسلكية والمركبات والمشغلين حتى الإنسان بشكل دائم .

الحماية ضد التفريغ الكهروستاتيكي :

وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن هذا القسم متعلق فقط بحماية المعدات الحساسة من التفريغات الكهربية التي لا يمكن تجنبها ، و التقليل من توليد الشحنة و القضاء على الشحنات .

القدرة على حماية المعدات لا يلغي الضرورة الأساسية لمنع تراكم الشحنة الكهروستاتيكية في المقام الأول .

كما يوضح الشكل 2، كل المشاكل الكهروستاتيكية تنطوي على مصدر التفريغ الكهربائي (الجسم مشحون في البداية)، وهو الهدف الذي يتلقى فيه التفريغ ، و البيئة التي من خلالها ينتقل التفريغ (تفريغ عازلة). و تجدر الإشارة إلى أن أيا من الهدف أو البيئة يمكن أن تكون حساسة كهربية . يتم سرد بعض الأمثلة في العناصر الحساسة في الجدول 5.

الشكل 2. التخطيطي لمشكلة التفريغ الكهروستاتيكي

الجدول 6. أمثلة التفريغات الكهروستاتيكية على معدات حساسة

العناصر الحساسةSensitive element	الامثلة
Source المصدر	An operator touching a door handle or the chassis of a car A Charged electronic component coming into contact with a grounded object عامل يلمس مقبض الباب أو هيكل السيارة A مكونات إلكترونية مشحونة اتصال مع كائن مؤرض
Target الهدف	Electronic components or materials touching a charged operator مكونات إلكترونية مشحونة أو مواد لمسها عامل
Environment البيئة المحيطة ( الجو )	An explosive mixture ignited by an electrostatic discharge خليط متفجر أشعل من قبل التفريغ الكهربائي

حماية العمال :

يمكن للعمال الذين لديهم سبب للاعتقاد بأنهم أصبحوا مشحونون كهربائيا (على سبيل المثال ، عندما الخروج من السيارة في الطقس الجاف أو المشي بأنواع معينة من الأحذية )

تطبيق عدد من التدابير الوقائية ، مثل ما يلي :

• تقليل كثافة التيار في مستوى الجلد عن طريق لمس موصل مؤرض بقطعة من المعدن مثل مفتاح أو أداة.
• تقليل قيمة التيار عن طريق التفريغ إلى جسم تبديد ، إذا كان متوفرا (سطح طاولة أو جهاز خاص مثل سوار المعصم واقية مع مقاومة سلسلة) .الحماية في الأجواء المتفجرة :

في أجواء متفجرة ، و هي البيئة نفسها التي تعتبر حساسة للتفريغات الكهروستاتيكية ، وقد تؤدي التفريغات الى الاشتعال أو الانفجار . الحماية في هذه الحالات تكون باستبدال الهواء ، إما بخليط الغاز بحيث تكون نسبة محتوى الأكسجين أقل من الحد الأدنى للإنفجار ، أو بغاز خامل ، مثل النيتروجين . وقد يستخدم الغاز الخامل في الصوامع و أوعية التفاعل في الصناعات الكيميائية والصيدلانية. في هذه الحالة ، وهناك حاجة إلى الاحتياطات الكافية لضمان أن العمال تتلقى امدادات الهواء الكافي .

المصادر :

http://www.ilo.org/oshenc/part-vi/electricity/item/400-static-electricity

http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%81%D8%B1%D9%8A%D8%BA_%D9%83%D9%87%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%A6%D9%8A

http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A3%D9%84%D9%81%D8%A9_%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%86%D9%8A%D8%A9