Triboelektromosság

A triboelektromosság (a görög tribein jelentése "dörzsölés" és az Elektron jelentése "borostyán", és ez az elektromosság alapszava ) két különböző természetű anyag érintkezése által létrehozott elektrosztatikus jelenség . Akkor fordul elő, amikor a két anyag egyikének érintkező felületének elektronjai egy része átkerül a másikba, és ez az átvitel az elválasztás során megmarad. A triboelektromos hatás fokozható mechanikai energia biztosításával az anyagok egymáshoz dörzsölésével (súrlódás).

Gyakrabban "statikus elektromosságnak" nevezik, és otthon könnyen reprodukálható, ha műanyag vonalzót konyharuhával dörzsölnek. Ezután megközelítjük a saját hajának vagy apró papírdarabjainak szabályát, amelyek ragaszkodnak a szabályhoz.

Díjak átutalása

Az átvitt elektromos töltés mennyisége a következőktől függ:

• a két anyag jellege (amely meghatározza relatív jelüket is);
• az érintkező felület.

Ezen paraméterek közül az elsőnél meghatározzuk a triboelektromos sorozatokat , vagyis az anyagok rendezett listáit: a relatív helyzet meghatározza a töltések előjelét, a listán belüli "távolság" pedig képet ad a csere fontosságáról. .

A második paraméter szerint, ha a két anyag közül legalább az egyik szigetelő , akkor azokat ismételten lehet használni:

• vagy a két anyag együtt dörzsölésével;
• vagy az egyik felület "visszakeringetésével" (forgótárcsa, öv stb.)

Következmények és következmények

A terhelések létrehozása (vagy pontosabban szétválasztása) után minden a konfigurációtól függ:

• vagy a két anyag vezető , vezetőképes útja egyesíti őket: a töltések "körbejárják", semlegesítik egymást, és a dolgok itt megállnak;
• vagy az egyik anyag szigetel, ebben az esetben a díjakat a statikus elektromosság törvényei szabályozzák  ;
• vagy végül közbenső esetek, a két anyag vezető, de elszigetelt: megtaláljuk az előző esetet, kivéve, hogy a "felületek újrafelhasználásának" súrlódásától nem várhatunk többet, mivel a "régi" tölteteket a gyártás során semlegesítik. a «hír». A díjak teljes mennyisége ennélfogva jóval alacsonyabb.

Egy szigetelő esete a levegőben

Ebben az esetben (ami végső soron a „klasszikusabb” eset) az elért feszültség a következő paraméterektől függ:

• Az ellenállás  : nincs tökéletes szigetelő. Előbb vagy utóbb elérjük az U feszültséget, így az időegységre jutó töltés létrehozásának sebessége (más szóval az áram ...) megegyezik az U / R aránygal, ahol R az elektromos ellenállás (ohmban) az objektum megbízott tekintetében a referencia potenciál . Az ellenállás többek között függ:
  • hőmérséklet (a láng vezető, stb.),
  • vezetőképesebb anyagok lehetséges lerakódása a felszínen vagy a vastagságba való behatolás (pl. szennyezés);
• A kapacitás  : a feltöltött objektumnak van egy kapacitása , mint a „többi univerzumban.” Minél nagyobb a kondenzátor ezt a kondenzátor , annál díjak fog tartani, hogy a feszültség növekedése, az alábbi képlet szerint U = Q / C, ahol Q jelentése a töltés (a coulomb ), C a kapacitás (a farads ) és U feszültség ( voltban )
• Az alak  : összhangban törvényei statikus elektromosság , egy adott potenciális, a mező függ a helyi geometriai görbületi sugár. Konkrétabban: a mező maximálisan egy pont közelében található. Ha elegendő a levegő ionizálása , akkor:
  • rövid távú kisülési út hiányában a Corona (vagy Corona ) effektus által történő kibocsátás ,
  • vagy egy szikra;
• a triboelektromosság  : mindkét irányban működik. A mező, még ha nem is elegendő az ionizáció kiváltásához, elegendő lesz a por és a poláris molekulák mozgatásához (vagy egy mező által polarizálható), ezáltal "elektromos szél" keletkezik. Ezek a por és molekulák a töltött anyaggal érintkezve megkapják e töltések egy részét és messzire küldik őket (még akkor is, ha a töltéseket eredetileg nem a tribo-elektromosság generálja; ez az ionizátorok működési elve.)

Ezektől a paraméterektől és azok időbeli alakulásától függően:

• érintetlenek maradnak, évszázadok és évezredek dacolva, bizonyos konfigurációk elektreteket alkotnak , különösen akkor, ha a töltés  az anyag vastagságában "  rejtőzik ";
• néhány nap vagy néhány ezredmásodperc alatt eloszlanak: mindazok álma, akik félnek a következő esettől, és ez egy egész ipari szerelvény célja ("vezetőképes" karkötők, nedvszívó padlók és bútorok, párásítók , ionizátorok , stb.);
• hirtelen, néhány nanomásodperc alatt, az áramkört lezáró vezetővel érintkezve (szikrával vagy anélkül) érintkezik: ez a rettegett elektrosztatikus kisülés ( más néven DES vagy angolul ESD):
  • ez ad számunkra emlékezetes "gesztenyét", amikor egy szép, száraz napon kiszállunk az autóból (száraz szigetelő gumiabroncs hektárnyi érintkezési felületet halmoz fel egy száraz szigetelő úton, miközben a száraz légkör nem oszlatja el a töltéseket. a karosszériában),
  • a "gesztenye", meg fogja osztani azt a macskával is, aki eljött a szeretet megmutatására, amely a tribo-elektromos szempontból különösen optimalizált szőr dörzsölésével kezdődik, az első nyalós reszeléssel ( a sokk megzavarja a későbbi impulzusok spontaneitását; amint a jól ismert történet mondja: "  a macska jó áramvezető, de nem nagyon szereti  "),
  • az izgalmaktól egy egyszerű látványig juthatunk el, ha sötétben eltávolítunk egy nehéz ruhadarabot (gyapjú vagy jobb, ha 100% szintetikus anyag),
  • a következmények súlyosabbak lehetnek, például az elektronikus eszközök meghibásodása vagy meghibásodása . Bizonyos esetekben az elektrosztatikus kisülés akár ...

Néhány szám

50  V	:	néhány rendkívül érzékeny elektronikai alkatrész tönkremegy, ha érintkezik egy ilyen feszültség alatt vagy ennél is alacsonyabban töltött emberrel
1  kV	:	ugyanaz a feszültség alatt töltött ember (valószínűleg) érezni fogja a kisülést; kisülés, amely elpusztítja a legtöbb védtelen elektronikus alkatrészt (beépített vagy külső védelmi alkatrészek által)
15  kV	:	az a maximális feszültség, amelyet a „ szabványosított  ” ember elérhet  a „  CE-jelöléshez  ”; ez az integrált védelemmel rendelkező egyes alkatrészek immunitásának garantált határa is
50  kV	:	a maximális feszültség, amelyet egy különösen szőrös macska elérhet; igaz, hogy a töltőkapacitás alacsonyabb ...
300  kV	:	annak a maximális feszültségnek a nagyságrendje, amelyet egy helikopter elérhet a talajhoz képest, ha a szigetelő levegőt összekeverjük egy kompozit szigetelőanyagból készült rotorral
1  MV	:	az ipari helyeken megfigyelt feszültségek nagyságrendje (szigetelő szíjtárcsák szigetelőszalagjai, csövekben áramló porszerű anyagok vagy szigetelőanyagokból készült  garatok stb. )
10  MV és több	:	a Van de Graaff generátor kapcsainál elérhető feszültség , lineáris gyorsítók (LINAC) táplálásához

Romboló következmények

Ez a néhány példa (óvatossággal ...) hivatott rámutatni arra az ipari kockázatra, amelyet a tribo-elektromos hatású statikus töltés jelenthet (a többi töltési folyamatot elhagyjuk).

• Autóipar  :
  • egy új autómodellnél a tömlőben (műanyag cső, szigetelő) keringő benzin (szigetelő) a motor ellátására ezt kihasználva triboelektromossággal töltéseket generált. Ezeknek a töltéseknek sikerült átjutniuk a csövön, és hirtelen kisülniük egy ABS érzékelő vezetékébe . Az ABS számítógép „elővigyázatosság elvének” minősülve elromlottnak nyilvánította magát. Ez a hamis meghibásodás mégis több százezer autó módosulásához vezetett ...
  • Ha üzemanyagot tölt be egy benzinkútnál, a töltetek felhalmozódása egy ruha súrlódásával az autó ülésén a puska üzemanyagának áramütést okozhat.
• Olajok  : a " nagykereskedelmi szivattyúkísérők " gigantikus üzemanyag-tároló tartályaiban   a különböző szállítások (a mértékegység, ez a vonat , sőt a tartályhajó is ) nagyon keveset keverednek és különféle "buborékokat" alkotnak. Buborékok, amelyek mozognak, töltődnek és kisülnek, néha hirtelen, a fal vagy más "buborék" érintkezésekor. Elvileg nincs következménye, még akkor sem, ha a szikrák a felszínen játszódnak le, mert igyekeznek eltávolítani az oxigént ezekből a tartályokból. De ha véletlenül, gondatlanságból vagy szabotázs miatt a tartály inertálása nem valósult meg hatékonyan, robbanás következhet be.
• Villamos energia  : Egy kábelszolgáltatónak ahhoz, hogy 25 kV-os szárazszigetelt nagyfeszültségű kábelei megbízhatóak legyenek, jelentősen felül kellett mérnie a szigetelés vastagságát. Egy elemzés kimutatta, hogy a szigetelésnek a vezetőn történő extrudálása során a triboelektromos hatás a töltés "zsebét" hozta létre a szigetelés vastagságában, ami itt-ott előterhelésre késztette és ezért annyi gyenge pontot okozott bontás). A terhelések semlegesítésének további fázisával csökkenthető lenne a kábel átmérője, ami hozzájárul az oszlopok és a felsővezetékek fokozatos megszüntetéséhez a tájból.
• Iparág  : A porterméket előállító gyárban a végső munkaállomás egy nagy műanyag garatból állt, ahol a csomagolandó termék leesett, egy rakás zacskóból és egy emberből, aki a garat alá töltötte őket. Előfordult, hogy a por nem jól áramlott, "elakadt" a garatban (az emberek azt gondolták, hogy a nedvesség miatt van). Egy különösen száraz napon az áramlás leállt: több tonna por alakú termék szuszpendált ég és föld között. Jól akart lenni, az üzemeltető egy vasrúddal akarta "átlyukasztani a nedves por kupoláját". Az ezt követő elektrosztatikus kisülés holtan megölte. A vizsgálat során, miközben az áramlás normális volt, a porállomány és a talaj közötti potenciális különbséget megavolt fölött mértük.
• Repülés  : A hősi időkben a helikopterrel végzett első tengeri mentési gyakorlatok egy része nagyon rosszul végződött a kikötőt játszó önkéntes számára. Nagyon rosszul. Ettől az időponttól kezdve, mielőtt a helikopter pilótája "elérhető távolságba kerülne", áztatja kábelét a vízben. Ezért a helikopterrel „ledobott” búvárok mindig a kábelről ugranak, mielőtt a vízhez érnének. A repülőgépek és helikopterek tartalmaznak különféle pontokat is (a felvonó vagy a kezelőfelületek meghosszabbításában), hogy jobban eloszlassák a repülés során felhalmozódott töltéseket.
• Asztronautika  : az 1960-as években az Egyesült Államokban a Delta hordozórakéta harmadik szakaszának összeszerelésekor ( tiszta helyiségben ) az operátorok védő porvédő nejlon fedelet helyeztek el. Csúszás közben nagy teher halmozódott fel a ponyván. A szivárgás a padlógyújtásnál történt , és több mint egy tucat ember halálát okozta.
• Bankok  : egy bankjegy-automata prototípusán a betöltött bankjegyek néha "kettő egy áráért" árfolyammal mentek ki.

Megjegyzések és hivatkozások

1. [videó] A statikus elektromosság veszélyei a YouTube-on
2. (in) NASA Űrhajózási AERONAUTIKA és 1964 (Kronológia tudomány, a technológia és a politika) ( olvas online ) , p. 135

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

• Antisztatikus szer
• Elektronegativitás
• Volta elektrofora
• Statikus elektromosság
• Tribolumineszcencia
• Wimshurst Machine
• Elektrofotográfia
• Elektrosztatikus kisülés
• Kontakt villamosítás

Külső linkek

• Triboelectricity a www.larousse.fr oldalon