关于静电的参数
静电学是一门新兴的边缘学科,它是在电工学基础上衍生,并继承和借鉴许多其他的学科如电学、电子学、生物学、化学、材料学以及管理工程学等多种学科的理论而逐渐发展起来的。因此,上述学科中的许多概念、公式及参数在静电学中仍然适用。
为了了解诶生产过程中静电起点情况,判别生产过程中静电的影响程度,检验静电防护用品、设施、工器具和材料静电性能、需要对静电性能参数进行测量,了解和掌握静电性能参数,对于静电性能参数和测量静电性能参数,对于静电性能参数的测量将起到积极作用,也是静电防护工作中不可缺少的重要一环。静电参数在理论上是可以计算出来的,但由于实际情况的千变万化,理论计算往往难以令工程需要满意,因此功能中我们需要更多的依赖于实际测量所得到的数据。
我们所进行的静电性能参数测量中主要包括以下静电参数。
一、静电电位
静电电位也成为静电电压。电工学中我们通常以地电位作为一个指定的参考点,并将地电位取为零,某带电体表面的静电电位与它之间的差值就称为静电电压。故带电体表面的静电位值即代表该处的静电压水平。
我们知道电位与电荷是成正比的,电位相对地电位的高低反映出了物体的带电程度,于是我们可通过测量电压的大小来了解带电量的大小。
二、电阻与电阻率
电阻是指电压(U)与电流(I)的比值,在电流一定的情况下它与电压成正比,在一定电压的作用下它与电流成反比,是物体阻碍电流通过的能力的一种表征。电阻的而大小与物体的形状、尺寸有关,物体的线性尺寸越长,或者经向尺寸越小,它对电流提供的阻力就越大,即物体的电阻越大。因而我们说某一个物体电阻的大小,并不能完全表示出该物体本身的导电性质。为此,我们常常使用电阻率这个物理量作为物体自身导电性能的表征。因为它不受物体形状与尺寸的制约,而只由物质本省的种类和内部结构特性决定。当然表面电阻率主要反映物质的表面状况,例如掺杂或污染的程度。物质的电阻系数在数值上等于 用该种物质做的长1m、截面积为1mm2的导线在温度为20℃时的电阻值。
在静电防护领域,将涉及两个与静电泄漏密切相关的物体特性参数:体积电阻和表面电阻。施加于被测样品的两个相对表面上的点击之间的直流电压和流经该两电极的稳态的比值称为体积电阻。施加于被测样品统一表面上的两个电极之间的直流电压和流经该两电极之间的电流比值称为表面电阻。
电阻率也相应地风味体积电阻率和表面电阻率。前者是描述物体内电荷移动和电流流动难易程度的物理量,定义为材料内直流电场强度和稳态电流密度的比值。后者是描述材料表层内直流电场强度和线电流密度的比值。它等于在两个相对电极内每平方尺寸面积上的表面电阻值。体积电阻率和体积电阻存在以下关系:
Rv=ρvb/S 或RvS/b
式中 Rv—体积电阻,Ω;
ρv —体积电阻率,Ω·cm;
b—材料厚度,m;
S—电极相对面积
根据定义,秒面电阻率和表面电阻之间的关系可由下式表示:
ρs = RsL/d
Rs—表面的电阻,Ω;
L—电极长度mm;
d—电极之间的距离,mm。
从前面我们了解到物体因摩擦和接触、分离都可在其表面上产生静电荷。对于电阻率高的物体来说,其所带的静电荷中和合泄漏所需要的时间会很长,所以物体将长时间带电。对于电阻率低的物体来说,其所带静电荷会很快地泄漏中和,因而物体不宜带电。因此,在静电防护领域,测量物质的电阻率对于我们控制静电具有非常重要的意义。
三、静电电量
静电电量是反映物体带电情况的最本质的物理量之一。当带电体是一个导体时,其所带电荷全部集中于物体表面,而且表面上各点的电位相等。如果我们想知道它的带电量可以通过接触式静电电压表先测出其静电电压,然后按照基本关系式Q=CU计算出它的带电量。
四、接地电阻
接地在静电防护领域中具有特别重要的作用,它是实现静电防护最重要的措施之一。因此,对接地电阻参数的测定,是定量评价、考核,监控接地系统运行状态的唯一手段。
五、静电半衰期
静电半衰期指试样上的电荷衰减至其终值的1/2时所需的时间。对于塑料、橡胶、化纤织物等高分子材料来书,其泄漏电荷的能力通常用静电半衰期表征。静电半衰期t1/2与材料自身物理特性的关系如下式:
t1/2=0.69τ=0.69ερ=0.69RC
式中R—试样的对地泄漏电阻,Ω;
C—试样的对地分布电容,F;
ε—材料的介电常数,F/m;
ρ—材料的电阻率,Ω·m。
各种材料的物理特性是不同的,t1/2值的差异很大,导静电好的材料可能只有几秒甚至几毫秒,而绝缘材料则可能长达数小时甚至数天。
六、表面电荷密度
表面电荷密度σ是表征纺织品材料表面静电起点性能的主要参数。人体动作的牵动会使随身的衣物,或与人体接触的物品如坐垫、沙发套等特别是布料类材料发生摩擦、接触、分离等物理作用,伴随着这些将产生静电。σ值的大小决定了这类物质发生这些物理变化时产生静电的水平,因此在静电防护领域我们要予以检测,更好地控制。
七、液体介质电导率
液体静电的发生和液-固交界面处形成的偶电层厚度关系很大,并有关系式
δ=sqrt(Dm)τ
即偶电层厚度δ与液体的弛豫时间常数的1/2次方成正比。由于τ=ε/σ,所以时间常数的大小主要由电导率σ决定,因为对大多数液体介质来说,介电常数ε的差别不很大。
由此,我们知道当电导率增大时,时间常数和偶电层厚度将减小,静电的发生将减少。所以,液体介质的电导率σ不但是标志液体绝缘程度好坏的一个物理参数,而且是直接反应液体存在静电危险程度的重要参数。
八、粉体静电性能参数
粉体是固体物质的一种特殊形态,其带电性能与固体物质有显著的不同。这种不同来源于粉体存在状态的不均匀性和弥散性及粒子之间的无章排列,造成电性能的不均匀性、不稳定性和各异性。
另外,一般粉体物质都具有较大的吸湿性,故电性能测量受湿度的影响较大。粉体电性能的测量队温度和气压的影响有时也相当敏感。所有这些,造成了粉体静电性能测量的复现性较差。
粉体物质在气流加工和管路运输过程中,由于频繁的发生物料与管壁、容器壁之间以及粉体物料粒子彼此之间的接触和再分离,呈现明显的带电过程。而且,一些粉体物料、例如硝铵炸药和TNT炸药等火工产品,其体积比电阻多在1011-101 5Ω·cm之间,属于易于积累静电的危险范围。因此我们需对粉体静电的防护增加更多的关注。静电参数测量方法复现性差,但它对粉体物质静电性能能提供一些定量的描述和可供相对比较的数据,所以研究粉体静电性能测量是十分必要的。
九、静电荷消除能力
对于绝缘物质带电,或被绝缘的导体带电,因为无法采用依靠向大地泄漏电荷的方法消除静电,故可利用离子风静电消除器发出的正的的负的离子中和带电体上的电荷,电离器的电荷中和能力是其主要的参数。
十、人体静电参数
在某些场合下,人体是一个危险的静电源,因为人体具有活动性所以其危险性就更大了。在通常情况下,人体相当于具有一定电阻值的导体,约为1000-5000Ω范围内。人体的电阻受很多因素的影响如皮肤表面的水分、盐分或者是油脂之类的残留物、皮肤与电极的接触面积和接触压力等等。据有关资料称,大多数人体电阻分布在1500Ω左右。由于人体是一个导体,通常人体一旦产生静电,会通过很多方式泄漏到大地中,因而不会积蓄电荷。但是,如果人们的衣物时绝缘的,如鞋子等会使人形成于大地绝缘的孤立导体,这时人体则可能积聚电荷,人体的电位可能会非常高,此时则可能成为诱发静电火灾、爆炸事故,也可能会使对静电敏感的产品的质量受到影响。因此,控制人体带电一直是静电防护领域中不可忽视的内容之一,而有关人体静电参数的测量是人体静电控制工作中的一个重要组成部分。
人体静电参数包括人体对地电容、人体静电位、人体对地电阻。
(一) 人体对地电容
上面我们提到人体是一个导体,由于我们都需要穿衣服、鞋子等,由于它们的隔绝作用会使人体对地产生一定的电容。这相当于这样一个模型:人体是点容易的一个极板,衣履相当于电容器中的电介质,大地是另一个极板,于是三者构成一个电容器。这个电容器的大小除了受衣物鞋帽的影响外,还要受个人外貌特征、身材高矮、胖瘦等的影响。我们知道电容C、电量Q、和电压U之间存在这样一个基本相关系式即U=Q/C,所以不同的人对地的电容式不同的,即使是同一个人在不同的时间场合下其电容也是不断变化的,于是人体对地的电压也是不断变化的。
(二) 人体静电位
我们习惯上认为大地的电位为零位,故人体的静电位就是人体的对地电压。由上面的基本关系式我们看出人体的电压与带电量Q成正比,与人体对地的电容C成反比关系,通常人体的对地电容是很小的,于是实际生产生活时间中人体电位是造成静电危害的一个直观参数,所以我们需要作为一个丛植指标来认真对待。
(三) 人体对地电阻
人体对地电阻指人体在正常穿戴静电防护衣履和腕带情况下的滴一滴泄漏电阻值。在静电防护领域中,我们主要关心的是让人体对地的电阻,而与人体自身的电阻关系不大。人体对地电阻值的下限主要受人体安全因素制约。在非正常情况下,人体触及200—380V工频电压时,应确保流过人体的电流小于5mA(即人体对地电阻需要大于1*105Ω)。确定人体对地泄露电阻的上限时,要考虑泄露电荷的能力。如考虑到某些电子 产品对静电较为敏感,人体电位应在100V以下,而且从静电起电初始电压下降至100V的时间不得超过0.1s。否则,难保敏感产品不受损害。如果假定人体的初始电压Uo=5000V,人体对地电容C=200pF,安全电压上限100V,过渡时间0.1s,由公式U(t)=Uoe-1/RC,可求得人体泄漏电阻为1.28*108Ω。这就是人体接地电阻的上限。工程上要求人体对地电阻控制在1MΩ左右。可见人体带电因人体起电情况和人体放电情况而受人体对地电阻和人体对地电容制约,因而人体对地电阻的控制是人体带电控制的重要手段。
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