Физические основы возникновения статического электричества




Статическое электричество — это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков, или на изолированных проводниках. Можно сказать, что электрический ток — это статический заряд, перемещаемый по проводнику от батареи постоянного тока. Мы можем сравнить статический или неперемещаемый заряд с динамическим или перемещаемым зарядом с постоянным напряжением в проводах идущих от батареи.

СПОСОБЫЗАРЯДКИ ОБЪЕКТОВ

Трибоэлектризация

Большинство статического электричества генерируется трибоэлектризацией. Трибоэлектричество – это возникновение электрических зарядов при трении. При трении двух тел положительные заряды получает более плотное из них. Металлы при трении о диэлектрик электризуются как положительно, так и отрицательно. При трении двух диэлектриков положительно заряжается диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью e. Вещества можно расположить в трибоэлектрические ряды, в которых предыдущее тело электризуется положительно, а последующее - отрицательно

Электризация трущихся тел тем больше, чем больше их поверхность. Пыль имеет большую суммарную площадь поверхности, поэтому активно заряжается. Пыль, скользящая по поверхности тела, из которого она образовалась (мрамор, стекло, снежная пыль), электризуется отрицательно. При просеивании порошков через сито они заряжаются.

Разрушением двойных электрических слоев на границе жидкость - газ объясняется трибоэлектричество при разбрызгивании жидкостей вследствие удара о поверхность твердого диэлектрика или о поверхность жидкости (электризация в водопадах). Трибоэлектричество приводит к нежелательному накоплению электрических зарядов в диэлектриках (например, в синтетической ткани). Трибоэлектричество может быть использовано для преобразования механического трения в электрическую энергию.

 


Рис. Трибоэлектрический заряд (передача электрона)


Рис.. Образование трибоэлектрического заряда

 

Примерами могут послужить самые элементарные вещи: ходьба является одним из самых больших источников трибоэлектрического заряда. При ходьбе происходит контакт подошвы обуви с напольным покрытием, а затем их последующее разделение. При этом данное действие происходит многократно. Человеческое тело позволяет накапливать заряды, образующиеся в ходе разделения двух материалов. Еще одним примером могут служить конвейерные ленты, приводные ремни и другие движущиеся части механизмов и машин, которые становятся источником трибоэлектрического заряда.


Рис. Образование электростатического заряда трибоэлектрическим способом

Таблица 3. Примеры образования электростатического заряда и уровень образовавшегося потенциала при выполнении человеком обыденных действий  
Действие/Наименование операции Уровень относительной влажности  
10% 40% 55%  
Хождение по ковровому покрытию 35000 В 15000 В 7500 В  
Хождение по виниловому линолеуму 12000 В 5000 В 3000 В  
Работа за столом 6000 В 800 В 400 В  
Извлечение DIP компонентов из пластикового пенала 2000 В 700 В 400 В  
Извлечение DIP компонентов из винилового поддона 11500 В 4000 В 2000 В  
Извлечение DIP компонентов из пенопластовой тары 14500 В 5000 В 3500 В  
Удаление блистерной упаковки с ПП 26000 В 20000 В 7000 В  
Упаковка ПП в упаковку с воздушными пузырьками 21000 В 11000 В 5500 В  

Количество сгенерированного заряда зависит от типа материалов, окружающей среды и скорости разделения материалов. Такие материалы, как пластики, генерируют статическое электричество во много раз интенсивнее, чем проводящие материалы. Хорошим примером является такой изоляционный материал как скотч-лента, изготовленная из пластика. Обратите внимание, что грязь стремится к пластиковой ленте, всякий раз, когда происходит ее отделение от рулона. Это вызвано тем, что на ленте генерируется статический заряд во время разделения материалов. При помощи заряженной ленты может быть приподнят кусочек бумаги.


Рис.. Образование электростатического заряда


Рис. 8. Трибоэлектрический ряд материалов

Эффект объемного заряда.

 

Электростатический заряд образуется в результате трения поверхностей веществ, в том числе и воздуха. Заряд остается на поверхности с большим поверхностным сопротивлением. Одноименные заряда поверхности не отталкиваются, поскольку жестко связаны с зарядами противоположного знака в глубине материала.

Рис. Максимальные значения электрических напряжений, до которых может быть заряжено тело человека при контакте с различными материалами.

 

 

При сближении с поверхностью противоположного заряда пробивается воздушный зазор. Возникает локальный разряд с высокой плотностью тока. Он является причиной выхода из строя полупроводниковых устройств, травм персонала, возгорания при заправке топливом. Для защиты устройств необходимо создать условия удаления - стекания накопленного заряда:

1 - заземление,

2 - рассеивающие заряд материалы,

3 - ионизация пространства.

В зависимости от величины поверхностного сопротивления R материалы подразделяют на проводящие (R< 105 Ом/□), рассеивающие (105 Ом/□ < R< 109 Ом/□), изолирующие. Проводящие (металлы и резисторы) используются для заземления. При этом необходимо организовать путь к «большой массе для растекания заряда». Обычно это земля или массивный корпус.

Рассеивающие материалы – это диэлектрики с добавками проводящих материалов.

Ионизация осуществляется путем увлажнения помещения распылением воды. Этот прием можно использовать не всегда из-за опасения коррозии.

 

Электрическая левитация.

 

Эффекты «Песчаной рыбы» (Sandfish).

 

 

Рис. Кожа «песчаной рыбы»: полосы с зазубринками.

 

Зазубринки кожи за счет трения (трибоэлектричества) заряжаются отрицательно при внешнем воздействии от головы до хвоста и положительно – в обратном направлении.

 

Этот эффект позволяет оттолкнуть песчинку в результате электрической левитации, поскольку отрицательные заряды кожи нейтрализуют положительные заряды песчинки. Оставшиеся отрицательные заряды песчинки оттолкнут ее от кожи «песчаной рыбы».

 

Конденсаторы.

 

Конденсатор, как накопитель электрической энергии в диэлектрическом пространстве между двумя электродами, имеет несколько модификаций:

- многослойная, с параллельным расположением электродов,

- планарная, с расположением электродов в одной плоскости.

Конденсатор с параллельными электродами обладает емкостью

 

С = eo e S / d,

где S – площадь электрода, d – расстояние между электродами (толщина диэлектрического слоя). Формула характеризует емкость только непосредственно под электродами (в области проекции электродов). Не учитывается краевая емкость. С уменьшением площади электродов доля краевой емкости возрастает. Для наноразмерных конденсаторов это приводит к сложности обеспечения малой емкости и уменьшению точности ее воспроизведения.

При необходимости создания конденсаторов большой емкости формула подсказывает

- использование материалов с большим ε,

- увеличение площади S электродов за счет использования пористого или вспененного материала,

- уменьшение толщины d диэлектрического слоя (одновременно встает вопрос технологической реализации электрической прочности – беспористости).

Внедрение в полимерные пленки наночастиц титаната бария (с большим ε) вдвое повышают емкость и уменьшает диссипативные потери в СВЧ диапазоне. Наибольший эффект дает введение в материал диэлектрического слоя дополнительных заряженных частиц - ионов. Такие конденсаторы известны под названием ионисторы.

 

 

Рис. Структура ионистора (положительные ионы – красные, отрицательные ионы – голубые).

 

 

Планарные конденсаторы. Для малоразмерных электронных устройств удобнее планарная (открытая) модификация конденсаторов, у которых электроды расположены в одной плоскости, а диэлектриком служит воздух (ε = 1) и диэлектрик основания. В такой конфигурации доминирующей является краевая емкость. Исчезает необходимость в увеличении площади электродов, что важно для малоразмерных устройств. Емкость увеличивается за счет протяженности края. Этого можно достичь укладкой пары электродов в виде меандра или формированием встречно – гребенчатой топологии. Открытый конденсатор, в диэлектрическую среду которого есть доступ объектам или материалам с ε > 1, используется в качестве датчика приближения, уровня, концентрации, счетчика диэлектрических дискретных объектов, в том числе и наноразмерных.

Рис. Встречно – гребенчатая топология планарного конденсатора (белый электрод – стационарный, зеленый подвижный).

 

 

Энергия W, запасаемая конденсатором, зависит от его емкости C и поданного напряжения U:

W = 0,5 C U2.

Максимальное значение электростатической силы:

Fх = dW / dx = 0,5 U2 dC / dx.

Емкость С реализуется с помощью встречно – гребенчатой конструкции электродов (combi drive), неподвижного и подвижного в виде консоли.

 

Прибор с зарядовой связью

 

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device).

После съёмки одного кадра образовавшиеся заряды переносятся в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Здесь происходит их оцифровка: преобразование. Большим зарядам присваиваются большие числа, а небольшим - маленькие. Если заряд в ячейке отсутствует, ему присваивается значение 0. Максимальное значение зависит от разрядности АЦП. У большинства камер это значение соответствует 256 (8 бит на канал).

Рис. Структура ПЗС.

 

Заряды передаются от одних металл - окисел- полупроводниковых (МОП) конденсаторов к другим, расположенным на одной кремниевой подложке (C1, C2, C3). При подаче к конденсатору С2 напряжение U возникшее здесь электрическое поле может удержать некоторый заряд Q. На соседние конденсаторы С1 и С3 напряжение не подано. Электрического поля у них нет, что создаёт потенциальные барьеры для электронов. Весь заряд Q находится под конденсатором С2. Если убрать потенциальный барьер между С2 и С3, подав напряжение и на С3, потенциальная яма расширится. Она будет под двумя конденсаторами, и электроны распределятся между ними. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов в сторону С3. Если снять напряжение с С2, то весь заряд перетечёт под С3. Таким образом, при помощи коммутации внешних напряжений осуществляется зарядовая связь. Разрешающая способность зависит от минимального размера изолированного конденсатора.

 

Рис. Сдвиговый ПЗС- регистр

 

Сдвиговый ПЗС- регистр для работы требует три управляющие импульсные последовательности, потому и называется трёхфазовым. Отсутствие напряжения хранения (точнее, нулевое или небольшое напряжение обратной полярности) под одной из фаз при переносе заряда создаёт потенциальный барьер и является гарантией того, что зарядовые пакеты не будут растекаться. В конце регистра заряды попадают в считывающее устройство, преобразующее их в напряжение. Пока идет считывание, надо изолировать фоточувствительные ячейки от регистра переноса, чтобы обеспечить возможность накопления новой информации. Для этого служит затвор переноса (стоп – канал), работающий как шлагбаум: затвор открыт – заряды перетекают в регистр, закрыт – накапливаются в фотоячейках.

Каждая фаза секции проходит через все столбцы вертикальных регистров, и это обеспечивает одновременный синхронный сдвиг зарядов всей строки информации вниз. Такие приборы называют ПЗС- матрицами. Последовательно подав импульсы на фазы секции, можно сдвигать строки вниз, где они попадают в горизонтальный регистр. Сбросив одну строку в горизонтальный регистр, считывают её. Затем сбрасывают другую и т.д. пока не считается вся матрица. Элементом разрешения (пикселем) в такой структуре будет набор конденсаторов всех трех фаз одного столбца.

 

 

Рис. ПЗС матрица.

Рис. Структура ячейки цветной ПЗС матрицы.

 

Рис. Конструктивы ПЗС.

 

 

Электреты.

 

Электреты - диэлектрики, имеющие очень большое время релаксации, т.е. способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии (электрический аналог постоянного магнита). Это, как правило, полимеры с ориентированным в процессе изготовления дипольным моментом. При умеренной температуре кинетической упругости (собственной энергии) бывает недостаточно для дезориентации. В зависимости от способа получения эффекта различают

- термоэлектреты, образующиеся при нагревании до температуры стеклования с последующим охлаждением в электрическом поле,

- хемоэлектреты, получающие ориентацию в результате отверждения или вулканизации в электрическом поле,

- механоэлектреты, образующиеся при механической деформации (например, растягивании) полимеров даже без электрического поля,

- электроэлектреты, образующиеся при выдержке в большом электрическом поле,

- фотоэлектреты, образующиеся при освещении фотопроводящих диэлектриков в электромагнитном поле.

 

металлическая

мембрана

 

электрет I

           
     


электрод

 

Рис. Схема электретного приемника звука.

 

Электреты используются как:

- датчики давления,

- микрофоны, сурдотелефоны, гидрофоны,

- медицинский прибор с поверхностным зарядом,

- преобразователь механической энергии в электрическую, звукосниматель,

- тактильная поверхность планшета,

- основа для ксерографии.

На основе электретов изготавливают электромеханические преобразователи (электретные звукосниматели, сенсорные переключатели, ударные датчики и т.д.), электретные воздушные фильтры (искробезопасные, что важно при их использовании, например, в шахтах или деревообрабатывающих цехах).

Процессы создания или, наоборот, нейтрализации электретного состояния нашли использование в электрофотографии, электростатической записи информации, электретной дозиметрии (о поглощенной дозе ионизирующего излучения судят по спаду поверхностного электрического заряда электрета). Неожиданное применение электретный эффект нашел в медицине. Оказалось, что искусственные сосуды, если их не обработать в электрическом поле, приводят к повышенной свертываемости крови. Если же внутреннюю поверхность искусственных сосудов зарядить отрицательно (то есть электретировать сосуды), то вероятность тромбоза крови уменьшается. Более того, оказалось, что многие ткани живого организма находятся в электретном состоянии, то есть являются биоэлектретами.

В 40-е гг. ХХ в. интерес к электретному эффекту вновь увеличился в связи с изобретением ксерографии – способа копирования документов методом электрографии. Для этого используют пластины, покрытые слоем полупроводника, который в темноте обладает высоким удельным сопротивлением, не отличаясь по существу от диэлектрика. Поверхность равномерно заряжают в темноте, получая тем самым электрет, который достаточно долго удерживает сообщённый ему заряд. Затем на поверхность проецируют изображение копируемого документа. В местах, где полупроводник освещён, световые кванты генерируют носители заряда (явление внутреннего фотоэффекта) – электроны и дырки, которые, двигаясь в электрическом поле электрета, компенсируют поверхностный заряд в освещённых местах. В тех же местах, куда свет не попадает, заряд остаётся. Получается «электрическое изображение». Его проявляют, распыляя над поверхностью специальный порошок, прилипающий к заряженным участкам пластины. Прижимая лист бумаги к пластине, переносят порошок на бумагу. Для закрепления изображения необходимо предотвратить осыпания порошка. Для этого лист нагревают, порошок плавится и прочно скрепляется с бумагой. Этот процесс до сих пор является основой работы многих копировальных аппаратов, лазерных принтеров.

Рис. Схема, используемая в лазерных принтерах для реализации технологии электрофотографического копирования

 

 

Сегнетоэлектрики.

 

Сегнетоэлектрики - это материалы с несимметричной элементарной кристаллической ячейкой. Это предопределяет наличие дипольного момента и анизотропию свойств. В пределах домена размерами от 10-4 до 10-2 см диполи имеют параллельную ориентацию. В пределах образца домены ориентированы хаотически в результате воздействия тепловой энергии.

 

 

           
     


Ba2+

Ti4+

 
 


O2-

       
   
 

 

 


 

Рис. Элементарная ячейка кристалла титаната бария Ba Ti O3.

 

Под влиянием внешнего электрического поля домены начинают ориентироваться вдоль силовых линий. Чем больше напряженность поля Е, тем большее число доменов приобретут одинаковую ориентацию. При Е max происходит насыщение поляризации

Р нас - все домены ориентированы одинаково. При снятии электрического поля поляризация не исчезает полностью. (Для дезориентации недостаточно тепловой энергии (кинетической упругости) при нормальной температуре.) Для достижения нулевой поляризации необходимо приложить поле обратного знака. Т.о. при воздействии переменного электрического поля образуется петля гистерезиса. Это свойство используется для переключающих устройств - при Е = 0 имеется в зависимости от предыстории 2 различных вида поляризации Р.

Рнас

 

 


E

 
 


 

Emax

 

 

Рис. Сегнетоэлектрический гистерезис.

 

По мере увеличения поляризации Р (Р = cд Е, cд = eо (e - 1))

увеличивается коэффициент поляризации cд, и, следовательно, диэлектрическая проницаемость e, т.е. имеется зависимость e = f (E). Эта зависимость может существовать до определенной температуры – диэлектрической точки Кюри (Тк). Большая тепловая энергия препятствует единообразному ориентированию дипольных моментов. Для титаната бария Тк = 297 К. Зависимость e от температуры или напряженности электрического поля используется в управляемых конденсаторах, фильтрах и т.д.. Сегнетоэлектрическими свойствами обладают также сегнетова соль Na K C3 H4 O6 × 4 H2 O, дигидрофосфат калия К Н2 Р О4.

 

Пьезоэлектрики.

 

Некоторые сегнетоэлектрики - кристаллы обладают пьезоэлектрическими свойствами - возможностью поляризоваться при механическом воздействии. Кристалл обладает единообразной ориентацией дипольного момента. Сжимающая или растягивающая сила Fx вдоль этого направления приводит к изменению дипольного момента М = q l (изменяется длина диполя l) и, следовательно, разности потенциалов между гранями кристалла. Воздействие вдоль других осей кристалла заметного прямого пьезоэффекта не вызывает.

:

                   
     
 
 
   
     
 
 

 


U=kF/C

l1 l1 l2 l2

                                   
     
 
     
       
 
 
   
 
 
     
 

 

 


прямой пьезоэффект обратные пьезоэффекты (l1 > l2)

 

Рис. Пьезоэлектрические эффекты.

 

Прямой пьезоэффект описывает преобразование механической энергии в электрическую. Результирующее изменение заряда

Q = k Fx,

где k – пьезоэлектрический модуль (Q = å q, P =1/V∙ å M., Q = P ∙S, где S - площадь сечения пьезоэлектрика). Эффект увеличения заряда недолговечен: из-за возникшей разности потенциалов заряд начинает растекаться. Одинарное механическое воздействие может использоваться для фиксации самого факта воздействия. Чаще используется переменное периодическое воздействие с периодом, меньшим времени релаксации τ.

Обратный пьезоэффект заключается в изменении размеров кристалла под действием электрического поля, которое увеличивает или уменьшает длину диполя l. Это влечет за собой деформацию кристалла. Происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Пьезоэффекты по своей физической природе маломасштабны. Максимальная величина классического пьезоэлектрического эффекта получена для керамики и составляет около 0,17 %. Гигантский пьезоэлектрический эффект, равный 1,7 %, достигнут в пьезокерамике PMN-PT (свинец, магний, ниобат/свинцовый титанат). Это очерчивает круг применения прецизионными устройствами: высокодобротными резонаторами, сенсорами, позиционерами, компенсаторами, микроприводами, инжекторами (струйных принтеров высокого разрешения), тактильной поверхностью, микронасосами.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается также у полупроводников. Асимметрия элементарной кристаллической решетки достигается легированием (диффузией или имплантацией). В результате получаются полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых зависит от механической нагрузки. Величина пьезоэлектрического эффекта обозначается безразмерной величиной GH (может достигать от нескольких единиц до 200). Полупроводниковые пьезорезисторы могут использоваться для измерения силы, давления, ускорения. (У пьезорезисторов выходным параметром является напряжение, а у тензорезисторов – сопротивление.) Из-за присущей полупроводникам температурной зависимости подобные устройства требуют термокомпенсации.

 

Изменение размеров образца наблюдается для всех диэлектриков без исключения и называется электрострикцией. В отличие от пьезоэффекта (l → E) электрострикция вызывает меньшее удлинение Δl/l=k E2 и не приводит к поляризации.

 

Пироэлектрики.

 

В сегнетоэлектриках наблюдается также пироэлектрический эффект - зависимость поляризации от температуры.

Структура кристаллической решетки сегнетоэлектрика предопределяет наличие постоянной электрической поляризации Р. Нагрев такого кристалла приводит к его расширению, и, следовательно, к изменению поляризации. Это изменение характеризуется пироэлектрической константой р(Т):

р(Т) = dP/dT.

Изменение поляризации влечет за собой изменение емкости конденсатора, между обкладками которого помещен сегнетоэлектрик. В результате поляризации на пластинах

конденсатора площадью S появляется электрический заряд Q = P ∙S,

а ток при изменении поляризации равен

I = dQ/dt = S ∙ dP/dT ∙ dT/dt = p(T) ∙ S ∙ dT/dt.

Этот эффект используется для измерения температуры. Датчик не требует источника питания, но мало чувствителен.

 

Высокие значения чувствительности получаются при малой теплоемкости сегнетоэлектрического материала, большой пироэлектрической константе.

Материалы: титанат циркония и свинца, ниобат бария и стронция, титанат лития LiTaO, - в виде кристаллов или керамики.

Наибольшая чувствительность пироэлектрического эффекта наблюдается в инфракрасной области спектра. Их используют в качестве детектора лазерного излучения и для получения изображений - видиконов - для сигналов с длиной волны от 1 до30 мкм.

Пироэлектрический видикон представляет собой пластину пироэлектрического материала толщиной около 10 мкм. Модулированное излучение вызывает локальные изменения поляризации, которые измеряются с помощью электронного пучка и преобразуются в видеосигнал.

В измерительной технике пироэлектрические приемники применяются в виде тепловых приемников, построенных в виде матриц, состоящих из 103¸105 элементов. Они позволяют исследовать пространственное распределение излучений.

Пироэлектрики находят применение в тепловидении (инфракрасном или радиационном), имеющем большое значение в медицине и технике. Пироконы (пироэлектрические видиконы тепловые передающие телевизионные трубки) применяются для контроля многообразных технологических процессов:

Ø оценка состояний высоковольтных линий передачи по данным вертолетной ИК - съемки;

Ø автоматизированный технологический контроль электронных компонентов – (конденсаторов, резисторов, СБИС) под нагрузкой;

Ø в медицине для диагностики глубинных латентных воспалительных процессов и т.п.;

Ø ИК картрирование Земли, планет и комет с космических зондов и т.п.

В теплометрии преобразователи на пироэлетриках для измерения температуры, теплоемкости, теплопроводности, теплообмена и т.д. имеют предельную чувствительность порядка 10 –7 К.

 

 

Электрореологические жидкости.

 

Электрореологическая жидкость (ЭРЖ) – это коллоидная смесь кристаллитов сегнетоэлектриков в масле. Под действием электрического поля ЭРЖ преобразуются в волокна, которые выстраиваются параллельно силовым линиям электрического поля. Новая структура теряет хаотичность и вязкость жидкости, а приобретает свойство твердого тела: упругость, прямо пропорциональную амплитуде напряженности электрического поля.

Рис. Трубопроводы с электрореологической жидкостью без и под напряжением.

 

 

ЭРЖ нашла применение:

- в захватах роботов,

- клапанах,

- устройствах подавления шумов и вибраций транспортных средств,

- ударопоглотителях современных автомобилей (сенсоры дают информацию о неровностях дороги и вертикальном перемещении колеса, на основе которой формируется управляющее воздействие,

- как искусственная мышца.

 

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-07-25 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: