Статическое электричество, его учёт и использование в быту и технике

Сегодня мы поговорим о явлении, которое каждый из вас не раз наблюдал, но, возможно, не задумывался о его огромной роли в нашей жизни. Вы когда-нибудь расчёсывали волосы пластмассовой расчёской и замечали, что волосы начинают «вставать дыбом» и прилипать к расчёске? А снимая синтетический свитер, слышали потрескивание и видели маленькие искорки в темноте? А может быть, после прогулки по ковру вы с удивлением чувствовали лёгкий удар током, прикоснувшись к металлической ручке двери? Всё это — проявления статического электричества. Сегодня мы выясним, откуда оно берётся, почему оно может быть и полезным, и опасным, и как люди научились им управлять.

Начнём с самого главного. Вы уже знаете, что все тела состоят из атомов. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. В обычном состоянии атом нейтрален, потому что количество положительных и отрицательных зарядов одинаково. Но когда два разных материала приходят в тесный контакт, а затем разделяются, электроны могут переходить с одного материала на другой. В результате один материал заряжается отрицательно (он получил лишние электроны), а другой — положительно (он потерял электроны).

Напомним, что процесс перераспределения зарядов при контакте называется электризацией. Самый распространённый способ — электризация трением. Например, если потереть стеклянную палочку о шёлк, часть электронов со стекла переходит на шёлк. Стекло становится положительно заряженным, а шёлк — отрицательным. Если потереть эбонитовую палочку о шерсть, электроны с шерсти переходят на эбонит — эбонит заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Эти заряды остаются на поверхности тел, не двигаясь. Слово «статическое» означает «неподвижное». В отличие от электрического тока, где заряды упорядоченно движутся, здесь заряды «застывают» на месте, пока их не разрядят. Это и есть статическое электричество.

Таким образом, статическое электричество — это совокупность явлений, связанных с возникновением и накоплением свободных электрических зарядов на поверхностях диэлектриков или внутри них, а также на изолированных проводниках.

Первый научный шаг в изучении статического электричества сделал древнегреческий философ Фалес Милетский ещё в VI веке до нашей эры. Он обратил внимание, что янтарь, потёртый о шерсть, начинает притягивать лёгкие предметы: пушинки, соломинки и тому подобное. Тогда люди не могли объяснить это явление, но дали ему имя — эффект янтаря. Греческое слово «янтарь» — «электрон». От него и произошло слово «электричество».

Прошли века, и только в XVII—XVIII веках учёные начали серьёзно изучать электризацию. Например, английский физик Уильям Гильберт показал, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Огромный вклад внёс американский учёный и государственный деятель Бенджамин Франклин. Он впервые ввёл понятия «положительный» и «отрицательный» заряд и выяснил, что молния — это гигантский электрический разряд статического электричества между облаками и землёй.

Одним из первых приборов для получения статического электричества была электростатическая машина. Её изобрёл немецкий учёный Отто фон Герике в 1663 году.

Он сделал шар из серы, вращал его рукой и тёр о руку — шар электризовался и притягивал лёгкие предметы. Позже машины усовершенствовали: стали использовать стеклянные диски, которые вращались и тёрлись о подушечки. Такие машины могли давать искру длиной в несколько сантиметров.

Затем были изобретены лейденские банки — первые конденсаторы. Они могли накапливать чудовищный заряд. Позже Алесандро Вольта создал первый в мире гальванический элемент.

А в 1752 году Бенджамин Франклин провёл знаменитый опыт с воздушным змеем во время грозы. Он запустил змея в грозовое облако и получил искру от ключа, привязанного к верёвке.

Так он доказал, что молния — это электричество. Этот опыт был очень опасен, и другие исследователи (например, Георг Рихман), пытавшиеся повторить его, погибали. Но Франклин остался жив и на основе своих открытий изобрёл громоотвод.

Мы сталкиваемся со статическим электричеством постоянно, часто даже не замечая его. Например, когда вы идёте по синтетическому ковру в сухую погоду, ваши подошвы трутся о ворс. Электроны переходят с ковра на обувь или наоборот. Вы накапливаете на себе заряд в несколько тысяч вольт! Когда вы затем прикасаетесь к металлической дверной ручке, происходит разряд — вы чувствуете укол, а иногда видите маленькую искру. Ток при этом очень мал и не опасен, но ощущение неприятное.

При расчёсывании волос пластмассовой расчёской волосы заряжаются положительно, расчёска — отрицательно. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому волосы тянутся за расчёской. А если волосы приобрели одинаковый заряд, они отталкиваются — отсюда эффект «пушистости».

При снятии свитера из полиэстера или нейлона ткань трётся о другую одежду и о тело. Возникает искрение, и даже слышно потрескивание. А в темноте можно увидеть голубоватые искорки — это микроскопические электрические разряды.

Поверхность экрана телевизора или монитора также может наэлектризовываться и притягивать пыль. Поэтому старые кинескопные телевизоры часто «пылились». Современные жидкокристаллические экраны менее подвержены этому, но всё равно иногда притягивают пылинки.

Почему статическое электричество может быть опасным? Казалось бы, ну искра — что в этом страшного?

Действительно, в быту статические разряды обычно безвредны — разве что могут вызвать лёгкий испуг. Но в промышленности и в некоторых ситуациях они представляют серьёзную опасность. Например, на производствах, где используются легковоспламеняющиеся жидкости (бензин, ацетон, спирт) или горючие пыли (мучная, угольная, сахарная), искра статического электричества может вызвать пожар или взрыв. Были случаи, когда так взрывались танкеры, бензовозы, топливные склады, предприятия по производству сахара и муки. Даже древесная пыль может легко воспламениться от небольшой искры.

Поэтому, например, бензовозы при перевозке топлива заземляются — к корпусу прикрепляют металлическую цепь, которая волочится по земле, отводя заряд. Работники на таких предприятиях носят специальную обувь с токопроводящими подошвами и антистатические браслеты.

Микросхемы и транзисторы в компьютерах, телефонах и других устройствах очень чувствительны к высокому напряжению. Разряд статического электричества от пальца может прожечь микросхему, и она выйдет из строя. Поэтому при сборке и ремонте электроники используют заземлённые коврики, антистатические браслеты и специальные пинцеты. Сотрудники, собирающие компьютеры, всегда надевают заземляющий браслет на запястье, а платы хранят в специальных серебристых пакетах.

И хотя сильных ударов током при статике не бывает, постоянное воздействие электрических полей может вызывать у людей утомляемость, головные боли и раздражительность. В некоторых профессиях это учитывают.

Как же защититься от статического электричества? Главный способ — заземление. Если проводник соединён с землёй, то заряды не могут накапливаться — они мгновенно уходят. Поэтому все электронные приборы, стиральные машины, компьютерные блоки имеют третий контакт в вилке — заземление. В лабораториях и на производстве люди, работающие с чувствительными микросхемами, надевают специальные заземлённые браслеты, чтобы случайным разрядом не повредить приборы.

Второй способ — это увеличение влажности воздуха. Сухой воздух — хороший диэлектрик, заряды сохраняются долго. Влажный воздух — это проводник (из-за примесей и микроскопических капель воды), заряды стекают. Влажность выше 60—70 % резко снижает накопление статических зарядов. Именно поэтому зимой, когда воздух в помещениях сухой из-за отопления, вы чаще бьётесь током. Летом, во влажную погоду, это происходит реже. В помещениях с оргтехникой часто ставят увлажнители или просто ставят открытые ёмкости с водой. А чтобы одежда меньше электризовалась, используют антистатические спреи, которые создают на поверхности тонкую проводящую плёнку.

Третий способ — использование антистатических добавок в материалы. Добавление специальных веществ в ткани, пластмассы, ковровые покрытия делает их токопроводящими, и заряды не накапливаются. Например, существуют антистатические полы и антистатические браслеты.

Но не всё так плохо! Статическое электричество широко используется в технике на благо человека. Вот несколько ярких примеров.

Электростатические фильтры (электрофильтры). На тепловых электростанциях, цементных заводах и других промышленных предприятиях из труб идёт дым, содержащий вредную пыль и сажу. Чтобы очистить воздух, дым пропускают через электрофильтр. Внутри создаётся сильное электрическое поле, частицы пыли заряжаются и притягиваются к противоположно заряженным пластинам, где оседают. Затем пластины встряхивают, и пыль собирается в бункеры. Благодаря этому выбросы в атмосферу становятся значительно чище.

Копировальные аппараты и лазерные принтеры (электрография). Их работа тоже основана на статическом электричестве. Внутри принтера есть вращающийся барабан, покрытый светочувствительным слоем — фотобарабан. Сначала барабан заряжают статическим зарядом. Затем лазерный луч засвечивает те места, где должна быть печать — там заряд снимается. На оставшиеся заряженные участки притягивается тонер — мелкий красящий порошок, тоже заряженный. Затем тонер переносится на бумагу и закрепляется нагревом (запекается).

Этот метод изобрёл американский физик Честер Карлсон в 1938 году для копировальных аппаратов. И сегодня без него невозможно представить офисную работу. Так что без статического электричества не было бы ни ксероксов, ни принтеров.

Электростатическая покраска. При окраске автомобилей, корпусов холодильников или другой металлической продукции используют электростатический метод. Краска заряжается отрицательно, а окрашиваемая деталь — положительно. Разноимённые заряды притягиваются, и частицы краски летят точно на деталь, не разбрызгиваясь в стороны. Это даёт огромную экономию краски и позволяет окрашивать детали сложной формы, даже в труднодоступных местах. Кроме того, покрытие получается более ровным.

Для обогащения руд и разделения различных материалов используют электросепараторы, где частицы заряжаются в электрическом поле, а затем разделяются в зависимости от знака заряда. Так, например, на перерабатывающих заводах с помощью статического электричества разделяют пластик, бумагу, металл. Разные материалы имеют разную способность заряжаться, и их отклоняют в разные стороны. Это экологичный способ сортировки.

Даже в ингаляторах-небулайзерах иногда применяют электростатическое распыление лекарств, чтобы частицы лучше проникали в лёгкие.

А в сельском хозяйстве с помощью статического электричества опрыскивают растения пестицидами — капли лучше прилипают к листьям. Также с его помощью сортируют семена по качеству.

Дома вы можете уменьшить неприятные проявления статического электричества, соблюдая несколько правил:

· Используйте увлажнители воздуха, особенно зимой.

· Носите одежду из натуральных тканей (хлопок, лён, шерсть), а не из синтетики.

· При расчёсывании волос можно слегка смочить расчёску водой или использовать деревянные гребни.

· Перед тем как коснуться компьютера или другого электронного устройства, дотроньтесь до заземлённой батареи отопления или любого металлического предмета, чтобы снять заряд.

Статическое электричество — это не просто забавное явление, которое заставляет волосы вставать дыбом. Это мощный физический эффект, с которым нужно считаться в быту и на производстве. Но понимание его природы позволяет нам использовать его силу и избегать опасностей.

Надеемся, что сегодняшний урок помог вам увидеть, что даже «обычная» искра, пробегающая между пальцем и дверной ручкой, — это часть большой и интересной физики, которая работает повсюду.