Природа статического электричества. Статическое электричество: природа явления, причины возникновения и способы защиты

Что такое статическое электричество. Как образуется статический заряд. Почему возникают искры при разрядке. Какие меры защиты от статического электричества существуют на производстве и в быту.

Что представляет собой статическое электричество

Статическое электричество — это явление, связанное с возникновением и накоплением свободного электрического заряда на поверхности или внутри диэлектриков. В отличие от электрического тока, при статическом электричестве заряды неподвижны и не перемещаются.

Основные характеристики статического электричества:

• Возникает из-за разделения положительных и отрицательных зарядов
• Накапливается на поверхности диэлектриков (изоляторов)
• Создает электростатическое поле вокруг заряженного объекта
• Может вызывать искровой разряд при соприкосновении с заземленными предметами

Как образуется статический заряд

Статическое электричество возникает в результате нескольких физических процессов:

Трибоэлектрический эффект

Это основной механизм образования статических зарядов. При трении двух разнородных материалов происходит перераспределение электронов — один материал отдает электроны, другой их принимает. В результате на поверхностях накапливаются заряды противоположных знаков.

Электростатическая индукция

Возникает при поднесении заряженного тела к незаряженному проводнику. В проводнике происходит разделение зарядов — на ближней к заряженному телу стороне индуцируется заряд противоположного знака.

Электризация влиянием

Наблюдается при помещении незаряженного диэлектрика в электрическое поле. В диэлектрике происходит поляризация молекул и образование связанных зарядов на поверхности.

Причины накопления статического электричества

Какие факторы способствуют образованию и накоплению статических зарядов?

• Низкая влажность воздуха (менее 65%)
• Использование синтетических материалов
• Наличие диэлектрических покрытий
• Интенсивное трение поверхностей
• Быстрое разделение контактирующих материалов
• Распыление жидкостей и порошков

В сухом воздухе заряды медленнее стекают в окружающую среду и могут накапливаться до больших значений. Синтетика легко электризуется при трении. Диэлектрические покрытия препятствуют утечке зарядов.

Опасность статического электричества

Чем может быть опасно накопление статических зарядов?

• Искровые разряды способны вызвать возгорание горючих веществ и газов
• Электрический пробой может повредить электронные компоненты
• Притяжение заряженных частиц пыли ухудшает качество продукции
• Неприятные ощущения при разрядах на человека
• Нарушение технологических процессов на производстве

Особенно опасно статическое электричество на взрывопожароопасных производствах, где искра может привести к серьезной аварии. Также оно создает проблемы в микроэлектронике и точном приборостроении.

Методы защиты от статического электричества на производстве

На промышленных предприятиях для борьбы со статическим электричеством применяют комплекс мер:

Заземление оборудования

Все металлические части технологического оборудования и трубопроводы соединяют с заземляющим контуром. Это обеспечивает стекание зарядов в землю.

Увеличение влажности

Поддержание относительной влажности воздуха на уровне 65-75% значительно снижает накопление зарядов. Для этого используют увлажнители воздуха.

Ионизация воздуха

Применение ионизаторов воздуха позволяет нейтрализовать заряды за счет рекомбинации с ионами противоположного знака.

Антистатические покрытия

Нанесение на поверхности антистатических лаков и красок препятствует накоплению зарядов.

Экранирование

Чувствительное оборудование защищают металлическими экранами, соединенными с землей.

Защита от статического электричества в быту

Как уберечься от неприятных проявлений статики в повседневной жизни?

• Использовать увлажнители воздуха в помещениях
• Выбирать одежду из натуральных тканей
• Применять антистатические спреи для одежды и обуви
• Заземлять крупную бытовую технику
• Использовать антистатические коврики для компьютеров

Простое повышение влажности воздуха до 60-70% значительно снижает вероятность возникновения неприятных разрядов статического электричества в быту.

Интересные факты о статическом электричестве

Несколько любопытных фактов об этом явлении:

• Напряжение статического заряда может достигать десятков тысяч вольт
• Молния — это гигантский искровой разряд статического электричества
• При расчесывании сухих волос на расческе может возникать напряжение до 20 кВ
• Заряд на теле человека может составлять несколько микрокулон
• Статическое электричество используется в электрофильтрах для очистки газов

Хотя в большинстве случаев статическое электричество безопасно, в некоторых ситуациях оно может представлять серьезную угрозу. Поэтому важно применять меры защиты, особенно на производстве.

Перспективы изучения и применения статического электричества

Исследования в области статического электричества продолжаются. Какие направления наиболее перспективны?

• Разработка новых антистатических материалов
• Создание более эффективных ионизаторов воздуха
• Применение статики для очистки воздуха от мелкодисперсных частиц
• Использование трибоэлектрического эффекта для выработки энергии
• Совершенствование защиты электроники от статических разрядов

Лучшее понимание природы статического электричества позволит не только эффективнее бороться с его негативными проявлениями, но и найти ему новые полезные применения в технике и технологиях.

откуда берется статическое электричество и как от него избавиться – Москва 24, 14.09.2015

14 сентября 2015, 18:30

Наука

Иллюстрация: Полина Бреева

Статическое электричество – это явление, спровоцированное появлением или исчезновением избыточного напряжения на поверхности или внутри материалов, не проводящих электрический ток (стекла, пластика и других). Их называют диэлектриками, в их молекулярной структуре почти отсутствуют свободные электроны. Как появляется этот эффект и каким образом с ним можно бороться, объяснили наши друзья из Детского центра научных открытий «ИнноПарк».

Статическое электричество появляется из-за нарушения равновесия внутри атома или молекулы. На внешних орбиталях образуется избыточное количество электронов либо их, наоборот, становится недостаточно. Наиболее распространенная причина нарушения этого равновесия – трение. Даже самая гладкая, зеркальная поверхность имеет микровыступы, неровности, шероховатости. Трение есть всегда и в любых средах: твердой, жидкой и газообразной.

Резкий перепад температур также может стать причиной электризации. Происходит изменение скорости движения и, соответственно, количества столкновений или колебаний атомов внутри кристаллической решетки или молекулы. Как следствие – спонтанное отделение электронов, которые могут скапливаться, тем самым создавая статический заряд.

В быту мы часто сталкиваемся с этим эффектом. Когда мы ходим по ковру, мы являемся носителями отрицательного заряда, а ворсинки у нас под ногами – положительного. Как только мы после такой прогулки возьмем в руки ключи, накопленное напряжение мгновенно разрядится и нас слегка тряхнет.

Особенно настойчиво статическое электричество преследует нас в холодное время года. Зимой низкая влажность, а на человеке больше одежды. Сухость плюс много диэлектриков – плодотворная среда для электризации. На шерстяном свитере и синтетической кофте хорошо скапливаются заряды. Бояться нечего, небольшие разряды статического электричества не могут нанести вреда человеку.

Если вам все же неприятно, вот несколько практических рекомендаций:

1проложите хлопковой тканью стопки бумаги, пластика или синтетики;

2распыляйте на ковры антистатик;

3смазывайте волосы специальными средствами и выбирайте фен со встроенным ионным излучателем;

4если у вас в квартире кондиционер, дополните его увлажнителем воздуха;

5брейте ноги, это серьезно уменьшает риск скопления заряда.

Если приемы не сработали, есть способ быстро избавиться от напряжения. Одной рукой коснитесь заземленной поверхности – трубы или радиатора отопления, а в другой сожмите металлический предмет – скажем, связку ключей.

Елена Стрижакова, Детский центр научных открытий «ИнноПарк»

О «Физике города»

Каждый день, просыпаясь утром, мы погружаемся в город, полный фактур, звуков и красок. Пока мы идем на работу и гуляем в парке, нам в голову приходит миллион вопросов о том, как же все вокруг нас устроено в этом огромном мегаполисе. Почему под нами дрожит земля, когда под нами проезжает поезд метро? И может ли в Москве произойти землетрясение? Какими видят нас люди из космоса?

Мы предложили коллегам из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» дать ответы на наши вопросы и разъяснить, сколько велосипедистов нужно для освещения столицы, какие оптические иллюзии можно увидеть в городе и как начать экономить энергию, не выходя из дома. Так появился проект «Физика города». Новые вопросы и новые ответы ищите на нашем сайте по понедельникам и четвергам.

наука ученые электричество ИнноПарк читать Физика города

Новости СМИ2

меры, применяемые на производстве и в бытовых условиях

Статическим электричеством называется появление свободного заряда на поверхностях диэлектриков. Возникновение электростатического поля несёт в себе большую опасность для производственных циклов, связанных с горючими веществами, пылью, легко воспламеняющимися парами. Эти заряды могут порождать нарушения в работе электронных устройств и приборов. Защита от статического электричества необходима и для профилактики многих заболеваний.

• Природа статического электричества
• Опасность для человека
• Защита на предприятиях
• Обеспечение безопасности дома и квартиры

Природа статического электричества

В равновесном состоянии молекулы и атомы любого вещества имеют одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц. Отрицательно заряженные частицы, электроны, могут перемещаться от одного атома к другому, создавая тем самым разные заряды атомов.

Там, где появляется лишний электрон, — заряд отрицательный. Где недостаёт электрона — положительный. Эти неподвижные в пространстве заряды создают электростатическое поле. Оно возникает в таких случаях:

• При трении одного предмета о другой.
• При резком перепаде температур.
• Вследствие воздействия различных излучений (ультрафиолетового, радиоактивного).
• Статические заряды накапливаются на теле человека при ношении синтетической или шерстяной одежды. Они возникают в кузове автомобиля при движении.

Очень опасно перевозить бензин в пластиковых канистрах. При трении жидкости о стенки образуется статическое электричество, которое может вызвать искру и воспламенить пары бензина.

Искры, возникающие в процессе разряда электростатических полей, способны вызвать возгорание в запылённых и загазованных помещениях.

Опасность для человека

Необходимость устранять опасности, связанные с появлением электростатического поля, существует и на производстве, и в быту. Защита от статического электричества на производстве является обязательной при взрывоопасных и пожароопасных производственных процессах. В соответствии с правилами техники безопасности необходимо защищать работников на предприятиях от поражения током.

Напряжённость электростатического поля невелика и при редком воздействии не вредит здоровью, но при этом возможно возникновение мышечных реакций, судорог, которые приведут к аварии. Длительное же воздействие электростатических полей может оказывать влияние на работу сердечно-сосудистой системы. Отрицательно действует электростатическое поле и на электронные приборы. В результате разряда они часто выходят из строя.

Защита на предприятиях

Статическое электричество и защита от него — вопросы, которые серьёзно прорабатываются при создании правил техники безопасности на предприятиях. Соблюдение их должно защитить персонал от поражения током и предотвратить нарушения технологического процесса.

Меры, применяемые на производстве, состоят в снижении интенсивности генерации полей и в отводе заряда. Для снижения интенсивности применяется:

• Очистка горючих газов и жидкостей от загрязнений твёрдыми и жидкими примесями.
• Отказ по возможности от дробления и распыления веществ в технологическом цикле.
• Соблюдение проектной скорости перемещения материалов в магистралях и аппаратах.

Для отвода заряда требуется заземление всех металлических и электропроводных частей оборудования, металлических кожухов и трубопроводов. Заземлять следует и движущиеся приспособления и вращающиеся элементы, которые не имеют постоянного контакта с землёй. Увеличение проводимости диэлектрических материалов тоже способствует отводу заряда. Это достигается применением поверхностно-активных веществ, увеличивающих проводимость диэлектриков. Поддержание влажности воздуха не ниже 60−70% является успешным методом борьбы со статическим электричеством.

Нейтрализаторы применяются, если технологических мер оказывается недостаточно. Эти приборы используются для нейтрализации поверхностных электрических зарядов ионами разного знака. Для ионизации воздуха электрическим полем высокого напряжения применяются индукционные и высоковольтные нейтрализаторы.

В целях нейтрализации зарядов во взрывоопасных помещениях успешно применяются радиоизотопные нейтрализаторы. Ионизация происходит за счёт активного α или β излучения.

Индивидуальными методами защиты являются специальная обувь и одежда.

Обеспечение безопасности дома и квартиры

Свободный электрический заряд накапливают: резиновая обувь, синтетическая одежда, линолеум и пластик, ковры, железобетонные стены. Для защиты жилых помещений прежде всего нужно следить, чтобы влажность воздуха была не меньше 60%.

Существует большой выбор увлажнителей воздуха, которые способны решить эту проблему. Для нейтрализации электростатических зарядов применяются ионизаторы воздуха. Правила защиты от статического электричества:

• Использовать в жилых помещениях зануление и заземление электропроводки.
• Избавляться от пыли, не допускать её скопления на ковровых покрытиях.
• Соблюдать правила электробезопасности.
• Обрабатывать синтетическую одежду антистатиком.

Защита от свободных электрических зарядов поможет сберечь здоровье, избежать взрывов и возгораний, улучшить работу технологических устройств и электронных приборов. Эти меры очень важны как для охраны каждого дома, так и для безопасности и улучшения условий для работников на производстве.

Введение в статическое электричество | Поговорим о науке

Вы, наверное, чувствовали статическое электричество. Это вызывает тот небольшой шок, который вы можете получить, когда впервые коснетесь дверной ручки. Это также может заставить ваши волосы встать дыбом, когда вы снимаете шапку зимой. Но знаете ли вы, почему происходят такие вещи?

Наука о статическом электричестве (2015) TED-Ed (3:38 мин. ).

Вся материя состоит из атомов или групп атомов, называемых молекулами . В центре каждого атома находится ядро ​​. Внутри ядра находятся частицы с положительными зарядами (+) и частицы с нулевым зарядом. Положительные заряды называются протонов , а заряды с нулевым зарядом называются нейтронами . Частицы с отрицательными зарядами (-), , называемые электронами , вращаются вокруг ядра.

Части атома лития (Let’s Talk Science с использованием изображения VectorMine через iStockphoto).

 

Обычно предметы и материалы вокруг нас электрически нейтральный . Это означает, что они не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда. Это потому, что они имеют равное количество положительных зарядов от протонов и отрицательных зарядов от электронов.

Знаете ли вы?
Изучение электрических зарядов в состоянии покоя называется электростатикой .

Но нейтральному материалу можно придать электрический заряд. Один из способов сделать это — потереть два предмета друг о друга.

Когда вы спускаетесь со слайда, электроны движутся от вас к слайду. Это заставляет ваши волосы иметь больше положительных зарядов. Предметы с одинаковым зарядом отталкивают друг друга. Итак, каждый из ваших волосков пытается оттолкнуть соседа. Иногда это означает, что ваши волосы будут стоять прямо!

То же самое происходит при трении воздушного шара о волосы или одежду, особенно в сухую погоду. Попробуйте после этого повесить воздушный шар на стену и посмотрите, как долго он будет держаться! Потирая, вы перемещаете электроны от себя к шарику. Он прилипает, потому что воздушный шар заряжен более отрицательно, чем стена. Объекты с противоположными зарядами притягиваются друг к другу.

Спуск с горки или трение воздушного шарика о волосы могут вызвать движение электронов (Источники: Эрика Финстад через iStockphoto и :HappyKids через iStockphoto).

Но почему заряженные частицы отталкиваются или притягиваются друг к другу? Потому что они могут проявлять силу вокруг себя. Это называется электрической силой . Область вокруг частицы, на которую действует эта сила, называется электрическим полем . Мы можем показать, как выглядит электрическое поле, нарисовав картинки со стрелками, которые называются 9.0007 строк поля . Примеры вы можете увидеть на картинках ниже.

Линии электрического поля всегда направлены в сторону от положительных зарядов. Но они указывают на отрицательные заряды. Если частицы имеют противоположные заряды, их силовые линии направлены друг к другу. Если частицы имеют одинаковый заряд, их силовые линии направлены в разные стороны.

Линии поля для частиц с противоположными зарядами слева и с одинаковыми зарядами справа (Источники: Geek3 [CC BY-SA] через Wikimedia Commons и Wikimedia Commons).

 

Знаете ли вы?
Заряды частиц распространяются лучше, когда в воздухе есть влага. Это означает, что у объектов нет возможности накапливать положительные или отрицательные заряды. Но в сухой зимний день может случиться и обратное. Вот почему ваши волосы могут выглядеть забавно, когда вы снимаете шляпу!

Если два материала с противоположными зарядами сблизятся друг с другом, они могут вызвать искру. Эта искра — движение электронов по воздуху! Возможно, вы чувствовали это, когда тянулись к дверной ручке после прогулки по ковру.

Такой же разряд электричества мы наблюдаем во время грозы. Мы называем эти молнии молнией .

Статическое электричество, более известное как молния, во время грозы (Источник: Кели Блэк через Pixabay).

Во время грозы облака проходят мимо друг друга. Электроны могут перепрыгивать из одного облака в другое. Из-за этого в некоторых облаках могут образовываться большие положительные или отрицательные электрические заряды. Эти противоположные заряды сильно притягиваются друг к другу. В конце концов они «прыгают» по воздуху, чтобы сравняться. В результате получается эффектная вспышка света.

Молния может произойти внутри облака, между облаками и между облаками и землей. Молния — это самая мощная форма статического электричества, с которой вы можете столкнуться. Вот почему грозы могут быть очень опасны. Помните, когда гремит гром, идите в помещение.

Электростатическая сила

Удар молнии намного сильнее удара, который вы можете почувствовать, коснувшись дверной ручки! Но почему?

Мы знаем, что положительные и отрицательные заряды взаимодействуют друг с другом. Но сила этого взаимодействия измеряется размером электростатическая сила . Эта сила вызвана как размером электрических зарядов, так и расстоянием между зарядами. Давайте посмотрим на это, используя схему.

Диаграмма, показывающая электростатические силы между положительными и отрицательными зарядами (©2020 Let’s Talk Science).

 

Частицы с положительным зарядом обозначаются как +q , а частицы с отрицательным зарядом — как -q . Расстояние между частицами обозначено как р. Силы, действующие на заряды, обозначены как F .

Вы можете рассчитать электростатическую силу между двумя частицами, используя Закон Кулона . Это уравнение описывает связь между зарядами частиц и расстоянием между частицами. Символ k представляет постоянную закона Кулона.

Уравнение закона Кулона

 

При рассмотрении этого уравнения следует помнить две важные вещи.

1. Значения q1 и q2 перемножаются. Итак, если и q1, и q2 положительны, то сила будет положительной величиной. Частицы будут отталкиваться.

То же верно, если и q1, и q2 отрицательны.

Если q1 положительное, а q2 отрицательное, то сила будет иметь отрицательное значение. То же самое верно, если q1 отрицательно, а q2 положительно. Частицы будут притягиваться.

1. Сила пропорциональна квадратному корню из расстояния между частицами. Это означает, что чем ближе частицы друг к другу, тем сильнее будет сила.

Знаете ли вы?
Закон Кулона назван в честь физика Шарля-Огюстена де Кулона. Он доказал свой закон, используя инструмент, называемый крутильными весами. Это измеряло статическую электрическую силу, когда два шара из заряженного металла отталкивались или притягивались друг к другу. В его честь был назван кулон, единица измерения электрического заряда.

Статическое электричество: что такое, история, как образуется

Статическое электричество раздел физика то есть над изучением и анализом поведения электрических зарядов в равновесном состоянии , или, другими словами, эффектов, возникающих в телах в результате их электрических зарядов, будь то притяжение или отталкивание. Этот эффект известен как электростатическое явление .

Под статическим электричеством понимается явление , возникающее между двумя телами, которые накапливают электрические заряды в результате процессов индукции или трения. Такое накопление энергии может произойти, например, если два материала трутся друг о друга, пропуская электроны с одной поверхности на другую через перепад энергетических уровней.

Если электрически заряженный материал притягивает или отталкивает электроны другого материала, возникает так называемый индуцированный заряд: во втором материале создается область с более высоким положительным зарядом, вызывающая притяжение.

При статическом электричестве, уровень нагрузки зависит от таких факторов, как материал (будь то проводник, полупроводник или изолятор), , а также его физические и электрические свойства, влажность, температура, давление и скорость разделения тел.

Когда было открыто статическое электричество?

Первые признаки изучения статического электричества относятся ко временам древних греков, когда философ Фалес из Милета (624 г. до н.э. – 546 г. до н.э.) определил странное поведение, основанное на трении между янтарем и тканями, такими как шерсть , создавая силу притяжения к объектам со статическим электричеством.

Позже, в 17 веке, были проведены первые анализы связи между электричеством и магнетизмом с целью повышения точности магнитных компасов. Итальянский ученый Никколо Кабео проанализировал исследования британского физика Уильяма Гилберта и пришел к выводу, что между телами существуют силы притяжения и отталкивания в соответствии с их характеристиками.

В 1733 году французский физик и химик Francois de Cisternay du Fay предположил существование двух типов электрических зарядов: отрицательного и положительного. Затем, в 1785 году, французский физик Шарль Кулон также формализовал количественные понятия электрических сил в трактате. Он сформулировал Закон Кулона , который выдвинул положения о притяжении и отталкивании статическими электрическими зарядами. Этот закон был дополнен теоремой Гаусса , которая определила почти все электростатические явления.

Как образуется статическое электричество?

Статическое электричество возникает, когда два или более тела вступают в контакт и снова расходятся. Это явление между поверхностями, которое приводит к передаче электронов от одного атома к другому. Его можно получить следующим образом:

1. Электрический заряд при трении : некоторые тела могут заряжаться после трения друг о друга, вызывая перенос электронов. Таким образом, один объект электроотрицательно заряжен, а другой электроположителен.
   
2. Электрический заряд индукцией : не требует контакта между объектами для создания электрического заряда. И наоборот, если материал имеет отрицательный заряд и приближается к электрически нейтральному телу, электроны последнего будут отталкиваться избыточными электронами первого. Поэтому он будет двигаться внутри содержащего его материала, чтобы уйти от заряженного тела.

Как проявляется статическое электричество в повседневной жизни?

• Протирание куска стекла тканью: когда ткань достаточно толстая, стекло, являющееся изолирующим материалом, электрически заряжено и будет притягивать любые мелкие частицы, находящиеся поблизости.