كيفية توليد الشحنات الكهربائية
إنّ الكهرباء الساكنة بعيدة كل البعد عن المظاهر الكهرومغناطيسية المألوفة للكهرباء، يمكن أن تكون خطرة وتتطلب حماية جيدة التخطيط ضد تهديداتها، ولكن لها أيضًا تطبيقات عملية في حياتنا اليومية، تشرح هذه المقالة كيف يمكن توليد الكهرباء الساكنة بشكل غير متوقع وكيفية اعتماد تصاميم وممارسات آمنة لتجنب الحوادث، كما يستعرض بعض التطبيقات التي يمكن أنّ تفيدنا من الكهرباء الساكنة.
فيما يلي بعض الميزات التي تؤثر على معدل توليد الشحنات:
- نوع المواد: يحتاج التراكم الاستاتيكي إلى مادتين مختلفتين في الملمس لحدوث احتكاك، الخصائص الموصلة للمواد أساسية.
- وجود الشوائب: ويشمل ذلك الغبار والأيونات غير المتوقعة.
- السطح البيني بين الأجسام: تسهل منطقة التلامس الكبيرة هجرة الإلكترونات بين المواد.
- سرعة الفصل: كلما زادت سرعة الفصل، قلت فرصة عودة الإلكترونات إلى الجسم الأم، وكلما زاد تراكم الشحنة.
- السرعة: تساعد الحركة بين الأسطح على زيادة الشحنة، ممّا يزيد من السطح تحت التلامس من خلال تعزيز قدرة الاحتكاك على كلا السطحين على اللمس، والحرارة الناتجة عن الاحتكاك تسهل نقل الإلكترون، عادةً ما تكون الشحنات الساكنة في خطوط الإنتاج السريعة ذات الاتصال المكثف.
- الرطوبة: تزيد من تسرب الشحنة عبر الهواء المحيط بالجسم المشحون، ممّا يقلل من التراكم، كلما كان الغلاف الجوي جافًا، زادت الشحنة.
بعض الأمثلة ومجالات تراكم الشحنات
يمكن العثور على تراكم الشحنات في أي مكان يحدث فيه الاحتكاك، وهنا بعض الأمثلة:
- التروس والأحزمة: إنّ الأحزمة على شكل (V)، ومعظمها من خطوط نقل الطاقة المسطحة، معرضة بشكل خاص لتراكم الشحنات الساكنة بسبب الاحتكاك بين الحزام والبكرة، لا تسبب أحزمة النقل المطاطية المستخدمة في أنظمة مناولة المواد تراكمًا ملحوظًا في الشحن بسبب سرعتها الخطية المنخفضة.
- مساحيق الصب: صب الجسيمات الصلبة غير الموصلة المسحوقة في المزالق أو الأحواض.
- نقل الغبار: النقل الهوائي للمساحيق والمواد الصلبة.
- الفوهات النفاثة: الهواء والغازات والسوائل التي يتم طردها من النفاثات أو العمليات مثل السفع الرملي وإخراج الخرسانة “رش الخرسانة”.
- الخزانات المعدنية: عند حدوث التمدد على قاعدة غير موصلة، مثل شاحنة صهريجية على إطارات مطاطي، وغالبًا ما يتم ملؤها عبر القبة.
- خزانات معدنية ببطانة غير موصلة للكهرباء.
- الخزانات أو الأوعية المصنوعة من مادة غير موصلة للكهرباء.
- سقوط السائل في الخزان أثناء عمليات الملء.
- يمكن للأنابيب غير الموصلة، مثل الألياف الزجاجية أو بولي كلوريد الفينيل، يحدث تراكم شحنات ثابتة في الخارج بسبب تدفق السائل.
- المقاطع المعزولة من الأنابيب المعدنية، مثل المقاطع المفصولة بوصلات ذات حواف محشوة أو وصلات متأرجحة.
- العجلات المطاطية على الأثاث المتحرك فوق الأرضيات غير الموصلة وإطارات السيارات على الطريق.
- أجساد الناس بسبب احتكاك الأحذية المطاطية.
- الرسوم الموجودة على الأقمشة.
مخاطر الكهرباء الساكنة
بعض الأخطار التي تشكلها الكهرباء الساكنة هي:
- صدمة كهربائية بسبب تدفق التيار عبر الجسم، ممّا يسبب للشخص كل شيء من الانزلاق غير المريح إلى السقوط أو الحروق أو توقف القلب.
- حرائق أو انفجارات بسبب اشتعال خليط قابل للاشتعال أو قابل للانفجار.
- اضطرابات الإنتاج في معالجة الورق والبلاستيك والمواد المركبة والمسحوق والحبيبات والسوائل.
- تلف المعدات والمكونات الإلكترونية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD).
- تلف المكونات الميكانيكية مثل المحامل بسبب شرارة من خلال الأفلام الزيتية على أسطح المحامل.
من الضروري تحليل إمكانات التراكم الاستاتيكية للمرافق ووضع إجراءات وقائية.
يمكن أن تسبب الكهرباء الساكنة بعض الأضرار، منها:
1. الإزعاج:
- الشعور بالوخز عند لمس الأشياء.
- جذب الغبار والشعر إلى الملابس.
- تعطل الأجهزة الإلكترونية.
2. المخاطر الصحية:
- التأثير على الجهاز العصبي: قد تزيد من التوتر والقلق والأرق.
- التأثير على الجهاز التنفسي: قد تزيد من أعراض الربو والتهاب الشعب الهوائية.
- التأثير على الجهاز الهضمي: قد تزيد من أعراض عسر الهضم والتهاب القولون.
3. مخاطر الحرائق:
- اشتعال المواد القابلة للاشتعال: قد تتسبب في اشتعال المواد القابلة للاشتعال، مثل البنزين، عند تفريغها بشكل مفاجئ.
- إتلاف الأجهزة الإلكترونية: قد تتسبب في تلف الأجهزة الإلكترونية الحساسة عند تفريغها بشكل مفاجئ.
4. مخاطر أخرى للكهرباء الساكنة
- إعاقة عمل أجهزة تنظيم ضربات القلب: قد تتسبب في إعاقة عمل أجهزة تنظيم ضربات القلب.
- إعاقة عمل أجهزة السمع: قد تتسبب في إعاقة عمل أجهزة السمع.
نصائح للوقاية من أضرار الكهرباء الساكنة
- ترطيب الهواء: يساعد على تقليل تراكم الكهرباء الساكنة.
- ارتداء الملابس القطنية: تمنع تراكم الكهرباء الساكنة على الجسم.
- استخدام منتجات مضادة للكهرباء الساكنة: مثل بخاخات مضادة للكهرباء الساكنة.
- تجنب لمس الأشياء المعدنية: تزيد من خطر تفريغ الكهرباء الساكنة.
- تجنب استخدام الأجهزة الإلكترونية في الأماكن الجافة: تزيد من خطر تراكم الكهرباء الساكنة.
تفريغ الشرارة وطاقة الاشتعال
الشرر مسؤول عن معظم الحرائق والانفجارات الصناعية نتيجة للكهرباء الساكنة، الشرارة هي تفريغ للكهرباء الساكنة بين موصلين، ربما تكون قد شعرت أو رأيت شرارة تقفز من مفتاح أو إصبع إلى جسم معدني مؤرض بعد المشي عبر السجادة، يحدث تفريغ الشرارة عندما تخلق الشحنات المتراكمة على الأجسام الموصلة مجالًا كهربائيًا يتجاوز القوة الكهربائية للغلاف الجوي المحيط.
تختلف الطاقة المحررة في تفريغ الكهرباء الساكنة على مدى واسع، قد يصل نقل الطاقة في تفريغ شرارة إلى قيم تصل إلى (10000) مللي جول، قد تشكل قيمة (0.2) مللي جول خطر الاشتعال، على الرغم من أنّ طاقة الشرارة المنخفضة هذه غالبًا ما تكون أقل من عتبة الإدراك السمعي والبصري البشري، يعتمد مقدار الشحنة التي يراكمها الجسم على سعته التخزينية، عنصر موصل غير قادر على الاحتفاظ بكمية كبيرة من الشحنات الكهروستاتيكية عند تأريضه.
يحدد الجهد قوة الشحن، يمكن أن يصل جسم الإنسان إلى (10000) فولت أو أكثر في بيئة جافة وبضع مئات من الفولتات في بيئة رطبة، هناك تصريفات أخرى، يتأثر نوع التفريغ بخصائص المواد المعنية، تفريغ الفرشاة، التفريغ المخروطي، والتفريغ الهالي، هذه التصريفات لها قدرات مختلفة لنقل الطاقة وخصائص الاشتعال.
الترابط والتأريض والتأين لتجنب الشرر
تتمثل إحدى الطرق الفعّالة لمنع الشرر في توصيل جميع الأجسام بموصل “رابط” وبالأرض “تأريض”، الترابط هو ربط آمن للأجزاء المعدنية التي تشكل مسارًا موصلاً للكهرباء، ممّا يؤدي إلى انخفاض فرق الجهد إلى ما يقرب من الصفر، ومع ذلك، قد يكون هناك فرق في الجهد بالنسبة إلى الأرض أو أي شيء آخر، يمنع الترابط الشرر من القفز بين شيئين لهما نفس فرق الجهد.
التأريض هو اتصال بين الأشياء والأرض، ممّا يسمح بتفريغ الكهرباء الساكنة إلى الأرض، بالإضافة إلى توفير متطلبات الأمان، يحتاج الأشخاص أحيانًا إلى التأريض، توظف أعمال التأريض للأفراد ملابس متخصصة يتم ارتداؤها على الرسغين أو فوق الأحذية.
يتكون التأين (Ionization) من الفصل القسري للإلكترونات من جزيئات الهواء عن طريق تطبيق الإجهاد الكهربائي أو أشكال أخرى من الطاقة، وبذلك يصبح الهواء المتأين موصلًا ويمكنه تصريف الشحنات من الأجسام المشحونة التي يكون على اتصال بها، تنجذب الأيونات والإلكترونات الموجبة أيضًا بواسطة الشحنات السالبة والموجبة على التوالي ممّا يؤدي إلى تحييد الشحنة.
يمكن أن ينتج التأين بواسطة كهرباء عالية الفولتية، الأشعة فوق البنفسجية أو اللهب المكشوف، الأجهزة المختلفة التي تستخدم محول تصاعدي تعمل على إمدادات التيار الكهربائي وتنتج مجالات كهربائية عالية متوفرة تجارياً، ومع ذلك، هناك حاجة إلى العناية الواجب توافرها لمعالجة مشكلات السلامة الناشئة عن استخدام الجهد العالي.
تطبيقات الكهرباء الساكنة
على الرغم من كونها خطيرة وضرورية لتجنبها في العديد من المواقف، إلا أنّ للكهرباء الساكنة العديد من التطبيقات العملية، بعض الأمثلة هي:
- تقوم المرسبات الكهروستاتيكية بإزالة الدخان من الغازات العادمة قبل خروجها من المداخن في محطات الطاقة التي تحرق الوقود الأحفوري، في نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء بالمنزل، تقوم المرسبات بإزالة الجسيمات الملوثة والمواد المسببة للحساسية والمهيجات.
- تستخدم آلات التصوير والطابعات النافثة للحبر الكهرباء الساكنة لتوجيه نفث دقيق من الحبر إلى الموضع الدقيق للصفحة.
- طابعات الليزر وآلات التصوير باستخدام عملية التصوير الجاف.
- يتم تطبيق المولد الكهربائي “فان دي جراف” (Van de Graaff)، في أبحاث الفيزياء النووية.
