التفريغ الكهروستاتيكي في فيزياء الكم

يظهر التفريغ الكهروستاتيكي عندما ينقطع تدفق الكهرباء فجأة بين جسمين مشحونين كهربائياً، وذلك عندما يحدث التلامس بين هذين الجسمين، إذ يحدث هذا بسبب تراكم الكهرباء الساكنة بين الجسمين.

مفهوم التفريغ الكهروستاتيكي

التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) هو إطلاق الكهرباء الساكنة عند ملامسة جسمين، حيث تشمل الأمثلة المألوفة على (ESD) الصدمة التي يتلقاها أي شخص عندما يسير عبر سجادة ويلمس مقبض باب معدني والكهرباء الساكنة التي يشعر بها بعد تجفيف الملابس في مجفف الملابس، ومثال أكثر تطرفًا على (ESD) هو صاعقة البرق، في حين أن معظم أحداث البيئة والتنمية المستدامة غير ضارة، إلا أنها قد تكون مشكلة مكلفة في العديد من البيئات الصناعية.

يتطلب التفريغ الكهروستاتيكي أولاً تراكم شحنة كهروستاتيكية، إذ يحدث هذا عند احتكاك مادتين مختلفتين معًا، حيث تصبح إحدى المواد مشحونة إيجابياً، ويصبح الآخر مشحونًا بشكل سلبي، وتحتوي المادة المشحونة إيجابياً الآن على شحنة كهروستاتيكية، فعندما تتلامس هذه الرسوم مع المادة الصحيحة يتم نقلها ولدينا حدث (ESD)، حيث أن الحرارة من حدث (ESD) شديدة الحرارة على الرغم من أن المرء لا يشعر بها عندما نشعر بالصدمة.

ومع ذلك عندما يتم تحرير الشحنة على جهاز إلكتروني مثل بطاقة التوسيع يمكن للحرارة الشديدة من الشحنة أن تذوب أو تبخر الأجزاء الصغيرة في البطاقة، مما يؤدي إلى فشل الجهاز، وفي بعض الأحيان يمكن أن يتسبب حدث (ESD) في تلف الجهاز، لكنه يستمر في العمل، ويسمى هذا العيب الكامن والذي يصعب اكتشافه ويقصر بشكل كبير من عمر الجهاز.

هناك العديد من الأجهزة الإلكترونية عرضة لأحداث التفريغ الكهروستاتيكي ذات الجهد المنخفض، على سبيل المثال تكون مكونات محرك الأقراص الثابتة حساسة لـ 10 فولت فقط؛ لهذا السبب تدمج الشركات المصنعة للأجهزة الإلكترونية تدابير لمنع أحداث البيئة والتنمية المستدامة خلال عمليات التصنيع والاختبار والشحن والمعالجة.

الكهرباء الساكنة الكمية وقانون غاوس

قدم العلماء أساسًا نظريًا لمفهوم الحالة الكمومية المتماسكة للحقل الكهروستاتيكي لتوزيع الشحنة الخارجية الساكنة والصيغ المعاد تدويرها هناك للمنتجات الداخلية لزوج من هذه الحالات، على عكس ما قد يتوقعه المرء، فإن هذه المنتجات الداخلية ليست صفرية عندما تكون الرسوم الإجمالية لتوزيعات الشحنة متساوية، حتى لو كانت توزيعات الشحنة نفسها مختلفة.

ولقد عرض في الواقع إطارين مختلفين لهذه الحالات المتماسكة نفسها وفي الحالة الثانية لا يحمل قانون غاوس سوى قيمة التوق، إذ اقترح العلماء تجربة قادرة على استبعاد ذلك، حيث يؤدي الإطار الأول إلى صورة المنتج لـ (QED) الكامل أي إعادة صياغة معيار (QED) حيث يكون له إجمالي هاميلتوني، حيث ينشأ كمجموع هاميلتوني كهرومغناطيسي مجاني، ومادة هاميلتونية مجانية مشحونة ومصطلح تفاعل يعمل على فضاء جزئي فيزيائي لمنتج موتر كامل لمساحات هيلبرت ذات المجال الكهرومغناطيسي والمادة المشحونة.

بالنسبة لجميع الحالات في الفضاء الجزئي المادي لكل من هذه الأنظمة تكون المادة المشحونة متشابكة مع فوتونات طولية ويثبت قانون غاوس على الفضاء الجزئي المادي كمعادلة تشغيل، وعلى الرغم من أن عامل المجال الكهربائي و هاميلتوني، في حين أنهما متعاونان ذاتيًا على الفضاء الجزئي المادي.

إلا أنهما يفشلان في أن يكونا متعاونين ذاتيًا على مساحة هيلبرت الكاملة لمنتج موتر، وتلعب مناظير المنتجات الداخلية للحالة المتماسكة وصورة المنتج دورًا في فرضية تشابك المادة والجاذبية للمؤلف، أيضًا ترقى صورة المنتج إلى مقياس زمني لمقياس (QED) الذي يبدو أنه خالٍ من صعوبات الإصدارات السابقة.

خصائص التفريغ الكهروستاتيكي

عادة ما يدمر حدث التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) الخصائص الكهربائية للأغشية العازلة، مما يؤدي إلى فشل المنتج، لقد تم الحصول تجريبيًا على خاصية الانهيار الخاصة بوضع الآلة (MM) (ESD) على ثلاثة أفلام نانو مختلفة الحجم لتجميع الرأس.

حيث تُظهر معلمات جهد الانهيار والسمك علاقة تناسبية موجبة، لكنها عمومًا منخفضة جدًا ولها خصائص منفصلة كبيرة (30٪)، حيث أن الحد الأقصى والأدنى لجهود الانهيار للعينات المختبرة هي 1.08 فولت و 0.46 فولت، وهي أقل بكثير من متطلبات المعيار الحالي (25 فولت)، بالإضافة إلى ذلك تم إعطاء معيار الحكم على تلف المنتج ودراسة العلاقة بين قطبية جهد التفريغ والمقاومة الأولية وفولطية الانهيار.

في السنوات الأخيرة تم التشكيك في قابلية الأجهزة الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي (ESDS) للمجالات الكهروستاتيكية، إذ يقترح العلماء أن (ESDS) ذات المقاومة العالية للغاية الحساسة للجهد مثل (MOSFETs) أو مكثفات (MOS) يمكن أن تتلف بسبب تغيرات المجال الخارجية دون الاتصال مع الموصلات الأخرى في وجود المجال، حيث تم اقتراح نموذج إلكتروني بسيط.

وفي تقييم عملي لهذه المخاطر تم إثبات حدوث التفريغ بسبب تغير الحقول الخارجية نتيجة لانهيار بنية حساسة للجهد في دائرة مقاومة عالية مع طرف واحد مؤرض باستمرار.

يعد التحكم في التفريغ الكهروستاتيكي جانبًا مهمًا عند تصنيع وتجميع وإصلاح الأجهزة التي تستخدم الإلكترونيات، حيث يمكن أن تتسبب التفريغ الكهروستاتيكي في إتلاف أحد المكونات الإلكترونية في أي مرحلة من مراحل إنتاجه أو استخدامه إذا لم يتم التحكم فيه.