§ 33. Статическое электричество, его учёт и использование в быту и технике

ПРИРОДА СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА: ПОЧЕМУ ТЕЛА ЗАРЯЖАЮТСЯ

В повседневной жизни и на современном производстве мы непрерывно соприкасаемся с синтетическими полимерами, пластмассами, искусственными волокнами и резиной. При механическом трении или даже простом плотном соприкосновении двух разнородных тел внешние электроны переходят с поверхности одного материала на другой.

Если соприкасающиеся материалы являются диэлектриками (изоляторами), перешедшие электрические заряды не могут свободно перемещаться и стекать. Они надолго остаются зафиксированными на поверхности в неподвижном состоянии. Отсюда возникло устоявшееся название — статическое (неподвижное) электричество.

Накопление статических зарядов часто сопровождается возникновением колоссальной разности потенциалов (в тысячи и десятки тысяч вольт). При сближении наэлектризованного тела с любым заземлённым предметом происходит резкий пробой воздушного промежутка — проскакивает электрическая искра, способная причинить немало бед.

ОПАСНОСТИ И ВРЕДНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ

В промышленности и быту неконтролируемые статические заряды создают серьёзные технологические трудности и аварийные ситуации:

• Промышленные станки и ремённые передачи: Быстро вращающиеся кожаные и прорезиненные ремни непрерывно соприкасаются со шкивами электродвигателей и станков, сильно электризуясь от трения. Накопленный заряд периодически разряжается снопом ярких искр. Если в цехе присутствует горючая пыль (мука на мельницах, сахарная пудра или угольная пыль на шахтах), искра вызывает мгновенный объёмный взрыв и пожар.
• Химические и клеепромазочные производства: При обработке тканей резиновым клеем трение полотна о прижимные валики сопровождается электризацией. Окружающий воздух насыщен легковоспламеняющимися парами бензина и растворителей, поэтому любая микроскопическая искра несёт прямую угрозу возгорания цеха.
• Текстильная и полиграфическая промышленность: Синтетические волокна при трении о гребни чесальных машин и детали станков электризуются одноимёнными зарядами. Они начинают взаимно отталкиваться, путаться, сбиваться в комки и обрываться, останавливая ткацкие станки. Листы бумаги в печатных машинах из-за электризации слипаются друг с другом, мешая подаче. Кроме того, наэлектризованные ткани и плёнки притягивают к себе пыль и грязь из воздуха.
• Авиация и автомобильный транспорт: Самолёт во время полёта с огромной скоростью рассекает воздух, трётся о капли тумана и ледяные микрокристаллы облаков, накапливая гигантский статический заряд. Если не снять этот заряд сразу после приземления, первая же искра между корпусом самолёта и заправочным шлангом воспламенит авиакеросин. Аналогично бензовозы накапливают заряд от плескания бензина о стенки цистерны при движении.

МЕТОДЫ БОРЬБЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Чтобы предотвратить опасное искрение и нейтрализовать статические заряды, в технике применяют несколько надёжных физических методов:

1. Заземление проводящих конструкций: Корпуса металлических станков, баки с горючим, цистерны бензовозов и трубопроводы соединяют толстыми металлическими проводниками с землёй. Земной шар обладает колоссальной ёмкостью и служит неисчерпаемым резервуаром зарядов: любые избыточные заряды мгновенно и безопасно стекают в землю. Самолёты сразу после посадки заземляют специальными гибкими металлическими тросами перед высадкой пассажиров и заправкой.
2. Проводящие покрытия для диэлектриков: Если детали выполнены из непроводящей резины, пластмассы или кожи, простое заземление корпуса не помогает — заряды остаются заблокированными на поверхности изолятора. Чтобы обеспечить их стекание, поверхность приводных ремней и конвейерных лент покрывают проводящим слоем тонкодисперсного графита или бронзового порошка, а полы в цехах делают из токопроводящего пластиката.
3. Искусственное увлажнение воздуха: Сухой воздух является хорошим изолятором, препятствующим утечке зарядов. Если влажность воздуха в помещении цеха искусственно повысить, на поверхности всех предметов образуется тончайшая микроплёнка воды. Обычная вода с растворенными солями и примесями представляет собой проводящий раствор (электролит), по которому статические заряды непрерывно стекают в землю, не успевая накапливаться до опасных величин.
4. Бытовые антистатики: В быту для предотвращения электризации синтетической одежды, ковров и штор применяют специальные химические вещества — антистатики. Их молекулы образуют на волокнах гидрофильную плёнку, удерживающую влагу из воздуха и способствующую плавному рассеиванию зарядов.

ПОЛЕЗНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Статическое электричество не только создаёт угрозы, но и успешно служит человеку в передовых промышленных процессах:

• Электростатическая окраска изделий: Окрашиваемую металлическую деталь (например, кузов автомобиля или металлическую сетку) подключают к положительному полюсу источника высокого напряжения, а распылитель краски заряжает мельчайшие капельки отрицательно. Электрическое поле заставляет каждую каплю с высокой скоростью устремляться строго к детали. Так как все капли краски заряжены одноимённо (-), они взаимно отталкиваются в полёте и ложатся на деталь безупречно ровным, плотным слоем даже в труднодоступных полостях и на обратной стороне. Капли не рассеиваются в воздухе цеха, что резко снижает расход краски и защищает здоровье маляров.
• Ускоренное электрокопчение: Традиционное копчение мяса и рыбы длится от десятков часов до нескольких суток. В установках электрокопчения коптильный дым заряжают положительно, а тушку рыбы или мяса — отрицательно. Заряженные дымовые частицы под действием электрического поля за считанные минуты втягиваются вглубь волокон продукта, сокращая процесс обработки в десятки раз при сохранении превосходного вкуса.
• Электрофлокирование (ворсование тканей): Для создания искусственной замши, бархата или ворсистых материалов на ткань-основу наносят слой клея и заземляют её. Сверху через заряженную металлическую сетку распыляют короткие текстильные волоски (ворс). В сильном электрическом поле волоски ориентируются строго вдоль силовых линий поля — перпендикулярно ткани — и с силой вонзаются в клей вертикально («солдатиками»). Получается идеально густой и бархатистый ворс.
• Электростатическое смешивание ингредиентов: На автоматизированных хлебозаводах для получения однородного теста крупинки муки заряжают положительно и распыляют в воздушной камере, куда навстречу вдувают отрицательно заряженные капельки воды с дрожжами. Разноимённые заряды муки и воды с силой притягиваются друг к другу, обеспечивая мгновенное идеальное перемешивание без образования сухих комков.