Lundi, Février 28 2011 19: 25

Électricité statique

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Tous les matériaux diffèrent par le degré auquel les charges électriques peuvent les traverser. Chefs laisser couler les charges, tandis que isolateurs entraver le mouvement des charges. L'électrostatique est le domaine consacré à l'étude des charges, ou des corps chargés au repos. Électricité statique se produit lorsque des charges électriques qui ne bougent pas s'accumulent sur des objets. Si les charges circulent, il en résulte un courant et l'électricité n'est plus statique. Le courant qui résulte du déplacement des charges est communément appelé électricité par les profanes et est discuté dans les autres articles de ce chapitre. Électrification statique est le terme utilisé pour désigner tout processus aboutissant à la séparation des charges électriques positives et négatives. La conduction est mesurée avec une propriété appelée conductance, tandis qu'un isolant est caractérisé par sa résistivité. La séparation de charge qui conduit à l'électrification peut se produire à la suite de processus mécaniques, par exemple, le contact entre des objets et le frottement, ou la collision de deux surfaces. Les surfaces peuvent être constituées de deux solides ou d'un solide et d'un liquide. Le processus mécanique peut, moins fréquemment, être la rupture ou la séparation de surfaces solides ou liquides. Cet article se concentre sur le contact et la friction.

Processus d'électrification

Le phénomène de génération d'électricité statique par frottement (triboélectrification) est connu depuis des milliers d'années. Le contact entre deux matériaux est suffisant pour induire l'électrification. La friction est simplement un type d'interaction qui augmente la surface de contact et génère de la chaleur.frottement est le terme général pour décrire le mouvement de deux objets en contact ; la pression exercée, sa vitesse de cisaillement et la chaleur générée sont les premiers déterminants de la charge générée par le frottement. Parfois, la friction entraînera également l'arrachement de particules solides.

Lorsque les deux solides en contact sont des métaux (contact métal-métal), les électrons migrent de l'un vers l'autre. Chaque métal est caractérisé par un potentiel initial différent (potentiel de Fermi), et la nature se dirige toujours vers l'équilibre, c'est-à-dire que les phénomènes naturels agissent pour éliminer les différences de potentiel. Cette migration d'électrons se traduit par la génération d'un potentiel de contact. Parce que les charges d'un métal sont très mobiles (les métaux sont d'excellents conducteurs), les charges se recombinent même au dernier point de contact avant que les deux métaux ne soient séparés. Il est donc impossible de provoquer l'électrification en rapprochant deux métaux puis en les séparant ; les charges circuleront toujours pour éliminer la différence de potentiel.

Quand un Métal et le isolant entrent en contact presque sans frottement dans le vide, le niveau d'énergie des électrons dans le métal se rapproche de celui de l'isolant. Les impuretés de surface ou en vrac provoquent cela et empêchent également la formation d'arc (la décharge d'électricité entre les deux corps chargés - les électrodes) lors de la séparation. La charge transférée à l'isolant est proportionnelle à l'affinité électronique du métal, et chaque isolant a également une affinité électronique, ou une attraction pour les électrons, qui lui est associée. Ainsi, le transfert d'ions positifs ou négatifs de l'isolant vers le métal est également possible. La charge sur la surface après contact et séparation est décrite par l'équation 1 dans le tableau 1.


Tableau 1. Relations de base en électrostatique - Collection d'équations

Équation 1 : Charge par contact d'un métal et d'un isolant

En général, la densité de charge de surface () après contact et séparation 

peut s'exprimer par :

De

e est la charge d'un électron
NE est la densité d'état d'énergie à la surface de l'isolant
fi est l'affinité électronique de l'isolant, et
fm est l'affinité électronique du métal

Équation 2 : Charge suite au contact entre deux isolateurs

La forme générale suivante de l'équation 1 s'applique au transfert de charge
entre deux isolants d'états énergétiques différents (surfaces parfaitement propres uniquement) :

De NE1 et NE2 sont les densités d'état d'énergie à la surface des deux isolants, 

et  Ø1 et Ø 2 sont les affinités électroniques des deux isolants.

Équation 3 : Densité de charge de surface maximale

La rigidité diélectrique (EG) du gaz environnant impose une limite supérieure à la charge qu'il est
possible de générer sur une surface isolante plane. Dans les airs, EG est d'environ 3 MV/m.
La densité de charge de surface maximale est donnée par :

Équation 4 : Charge maximale sur une particule sphérique

Lorsque des particules nominalement sphériques sont chargées par l'effet corona, le maximum
charge que chaque particule peut acquérir est donnée par la limite de Pauthenier :

De

qmax est la charge maximale
a est le rayon des particules
eI est la permittivité relative et

Équation 5 : Décharges des conducteurs

Le potentiel d'un conducteur isolé portant une charge Q est donné par V = Q/C et
l'énergie stockée par :

Équation 6 : Évolution dans le temps du potentiel du conducteur chargé

Dans un conducteur chargé par un courant constant (IG), l'évolution temporelle de la
potentiel est décrit par :

De Rf est la résistance de fuite du conducteur

Équation 7 : Potentiel final du conducteur chargé

Pendant longtemps, t >Rf C, cela se réduit à :

et l'énergie stockée est donnée par :

Équation 8 : Énergie stockée du conducteur chargé


Lorsque deux isolants entrent en contact, un transfert de charge se produit en raison des différents états de leur énergie de surface (équation 2, tableau 1). Les charges transférées à la surface d'un isolant peuvent migrer plus profondément dans le matériau. L'humidité et la contamination de surface peuvent grandement modifier le comportement des charges. L'humidité de surface en particulier augmente les densités d'état d'énergie de surface en augmentant la conduction de surface, ce qui favorise la recombinaison de charge et facilite la mobilité ionique. La plupart des gens le reconnaîtront dans leurs expériences de la vie quotidienne par le fait qu'ils ont tendance à être soumis à l'électricité statique dans des conditions sèches. La teneur en eau de certains polymères (plastiques) changera au fur et à mesure qu'ils sont chargés. L'augmentation ou la diminution de la teneur en eau peut même inverser le sens du flux de charge (sa polarité).

La polarité (positivité et négativité relatives) de deux isolants en contact l'un avec l'autre dépend de l'affinité électronique de chaque matériau. Les isolants peuvent être classés en fonction de leurs affinités électroniques, et certaines valeurs illustratives sont répertoriées dans le tableau 2. L'affinité électronique d'un isolant est une considération importante pour les programmes de prévention, qui sont abordés plus loin dans cet article.

Tableau 2. Affinités électroniques des polymères sélectionnés*

Charger

Matières

Affinité électronique (EV)

-

PVC (chlorure de polyvinyle)

4.85

 

Polyamide

4.36

 

Polycarbonate

4.26

 

PTFE (polytétrafluoroéthylène)

4.26

 

PETP (polyéthylène téréphtalate)

4.25

 

polystyrène

4.22

+

Polyamide

4.08

* Un matériau acquiert une charge positive lorsqu'il entre en contact avec un matériau répertorié au-dessus et une charge négative lorsqu'il entre en contact avec un matériau répertorié en dessous. L'affinité électronique d'un isolant est cependant multifactorielle.

 

Bien qu'il y ait eu des tentatives pour établir une série triboélectrique qui classerait les matériaux de sorte que ceux qui acquièrent une charge positive au contact des matériaux apparaissent plus haut dans la série que ceux qui acquièrent une charge négative au contact, aucune série universellement reconnue n'a été établie.

Quand un solide et un liquide se rencontrent (pour former un interface solide-liquide), le transfert de charge se produit en raison de la migration des ions présents dans le liquide. Ces ions proviennent de la dissociation d'impuretés éventuellement présentes ou de réactions électrochimiques d'oxydoréduction. Comme, en pratique, les liquides parfaitement purs n'existent pas, il y aura toujours au moins quelques ions positifs et négatifs dans le liquide disponibles pour se lier à l'interface liquide-solide. Il existe de nombreux types de mécanismes par lesquels cette liaison peut se produire (par exemple, l'adhérence électrostatique aux surfaces métalliques, l'absorption chimique, l'injection électrolytique, la dissociation des groupes polaires et, si la paroi du vaisseau est isolante, les réactions liquide-solide.)

Étant donné que les substances qui se dissolvent (se dissocient) sont électriquement neutres au départ, elles généreront un nombre égal de charges positives et négatives. L'électrification ne se produit que si les charges positives ou négatives adhèrent préférentiellement à la surface du solide. Si cela se produit, une couche très compacte, connue sous le nom de couche de Helmholtz, se forme. Parce que la couche de Helmholtz est chargée, elle attirera les ions de polarité opposée. Ces ions se regrouperont en une couche plus diffuse, connue sous le nom de couche de Gouy, qui repose sur la surface de la couche compacte de Helmholtz. L'épaisseur de la couche de Gouy augmente avec la résistivité du liquide. Les liquides conducteurs forment des couches de Gouy très fines.

Cette double couche se séparera si le liquide s'écoule, la couche de Helmholtz restant liée à l'interface et la couche de Gouy étant entraînée par le liquide qui s'écoule. Le mouvement de ces couches chargées produit une différence de potentiel (le zeta potentiel), et le courant induit par les charges en mouvement est appelé le courant continu. La quantité de charge qui s'accumule dans le liquide dépend de la vitesse à laquelle les ions diffusent vers l'interface et de la résistivité du liquide (r). Le courant d'écoulement est cependant constant dans le temps.

Ni les liquides hautement isolants ni conducteurs ne se chargeront - le premier parce que très peu d'ions sont présents, et le second parce que dans les liquides qui conduisent très bien l'électricité, les ions se recombinent très rapidement. En pratique, l'électrification ne se produit que dans les liquides de résistivité supérieure à 107Ωm ou moins de 1011Ωm, avec les valeurs les plus élevées observées pour r 109 - 1011 Ωm.

Les liquides qui s'écoulent induiront une accumulation de charge dans les surfaces isolantes sur lesquelles ils s'écoulent. La mesure dans laquelle la densité de charge de surface s'accumulera est limitée par (1) la rapidité avec laquelle les ions dans le liquide se recombinent à l'interface liquide-solide, (2) la rapidité avec laquelle les ions dans le liquide sont conduits à travers l'isolant, ou ( 3) si un arc de surface ou de masse à travers l'isolant se produit et la charge est ainsi déchargée. L'écoulement turbulent et l'écoulement sur des surfaces rugueuses favorisent l'électrification.

Lorsqu'une haute tension - disons plusieurs kilovolts - est appliquée à un corps chargé (une électrode) qui a un petit rayon (par exemple, un fil), le champ électrique dans le voisinage immédiat du corps chargé est élevé, mais il diminue rapidement avec distance. S'il y a décharge des charges stockées, la décharge sera limitée à la région où le champ électrique est plus fort que la rigidité diélectrique de l'atmosphère environnante, phénomène appelé effet corona, car l'arc émet également de la lumière. (Les gens peuvent en fait avoir vu de petites étincelles se former lorsqu'ils ont personnellement subi un choc dû à l'électricité statique.)

La densité de charge sur une surface isolante peut également être modifiée par les électrons en mouvement générés par un champ électrique de haute intensité. Ces électrons généreront des ions à partir de toutes les molécules de gaz de l'atmosphère avec lesquelles ils entrent en contact. Lorsque la charge électrique sur le corps est positive, le corps chargé repoussera tous les ions positifs qui ont été créés. Les électrons créés par des objets chargés négativement perdront de l'énergie en s'éloignant de l'électrode, et ils se fixeront aux molécules de gaz dans l'atmosphère, formant ainsi des ions négatifs qui continuent de s'éloigner des points de charge. Ces ions positifs et négatifs peuvent venir se poser sur n'importe quelle surface isolante et vont modifier la densité de charge de la surface. Ce type de charge est beaucoup plus facile à contrôler et plus uniforme que les charges créées par frottement. Il y a des limites à l'étendue des charges qu'il est possible de générer de cette manière. La limite est décrite mathématiquement dans l'équation 3 du tableau 1.

Pour générer des charges plus élevées, il faut augmenter la rigidité diélectrique de l'environnement, soit en créant un vide, soit en métallisant l'autre face du film isolant. Ce dernier stratagème attire le champ électrique dans l'isolant et réduit par conséquent l'intensité du champ dans le gaz environnant.

Lorsqu'un conducteur dans un champ électrique (E) est mis à la terre (voir figure 1), des charges peuvent être produites par induction. Dans ces conditions, le champ électrique induit la polarisation - la séparation des centres de gravité des ions négatifs et positifs du conducteur. Un conducteur temporairement mis à la terre en un seul point portera une charge nette lorsqu'il sera déconnecté de la terre, en raison de la migration des charges à proximité du point. Cela explique pourquoi des particules conductrices situées dans un champ uniforme oscillent entre les électrodes, se chargeant et se déchargeant à chaque contact.

Figure 1. Mécanisme de charge d'un conducteur par induction

ELE030F1

Dangers associés à l'électricité statique

Les effets néfastes causés par l'accumulation d'électricité statique vont de l'inconfort que l'on éprouve en touchant un objet chargé, comme une poignée de porte, aux blessures très graves, voire mortelles, qui peuvent survenir à la suite d'une explosion induite par l'électricité statique. L'effet physiologique des décharges électrostatiques sur l'homme va du picotement inconfortable aux actions réflexes violentes. Ces effets sont produits par le courant de décharge et, surtout, par la densité de courant sur la peau.

Dans cet article, nous décrirons quelques moyens pratiques par lesquels les surfaces et les objets peuvent se charger (électrification). Lorsque le champ électrique induit dépasse la capacité de l'environnement environnant à supporter la charge (c'est-à-dire dépasse la rigidité diélectrique de l'environnement), une décharge se produit. (Dans l'air, la rigidité diélectrique est décrite par la courbe de Paschen et est fonction du produit de la pression et de la distance entre les corps chargés.)

Les rejets perturbateurs peuvent prendre les formes suivantes :

  • étincelles ou arcs qui relient deux corps chargés (deux électrodes métalliques)
  • les décharges partielles, ou en brosse, qui pontent une électrode métallique et un isolant, voire deux isolants ; ces décharges sont dites partielles car le chemin conducteur ne court-circuite pas totalement deux électrodes métalliques, mais est généralement multiple et en brosse
  • les décharges corona, également connues sous le nom d'effets ponctuels, qui se produisent dans le champ électrique fort autour des corps ou des électrodes chargés à petit rayon.

 

Les conducteurs isolés ont une capacité nette C par rapport au sol. Cette relation entre charge et potentiel est exprimée dans l'équation 5 du tableau 1.

Une personne portant des chaussures isolantes est un exemple courant de conducteur isolé. Le corps humain est un conducteur électrostatique, avec une capacité typique par rapport à la terre d'environ 150 pF et un potentiel pouvant atteindre 30 kV. Parce que les gens peuvent être des conducteurs isolants, ils peuvent ressentir des décharges électrostatiques, comme la sensation plus ou moins douloureuse parfois produite lorsqu'une main s'approche d'une poignée de porte ou d'un autre objet métallique. Lorsque le potentiel atteint environ 2 kV, l'équivalent d'une énergie de 0.3 mJ sera ressenti, bien que ce seuil varie d'une personne à l'autre. Des décharges plus fortes peuvent provoquer des mouvements incontrôlables entraînant des chutes. Dans le cas de travailleurs utilisant des outils, les mouvements réflexes involontaires peuvent entraîner des blessures à la victime et à d'autres personnes travaillant à proximité. Les équations 6 à 8 du tableau 1 décrivent l'évolution temporelle du potentiel.

Un véritable arc électrique se produit lorsque la force du champ électrique induit dépasse la rigidité diélectrique de l'air. En raison de la migration rapide des charges dans les conducteurs, pratiquement toutes les charges s'écoulent vers le point de décharge, libérant toute l'énergie stockée dans une étincelle. Cela peut avoir de graves conséquences lorsque vous travaillez avec des substances inflammables ou explosives ou dans des conditions inflammables.

L'approche d'une électrode mise à la terre sur une surface isolante chargée modifie le champ électrique et induit une charge dans l'électrode. Au fur et à mesure que les surfaces se rapprochent, l'intensité du champ augmente, entraînant éventuellement une décharge partielle de la surface isolée chargée. Les charges sur les surfaces isolantes étant peu mobiles, seule une faible proportion de la surface participe à la décharge, et l'énergie dégagée par ce type de décharge est donc beaucoup plus faible que dans les arcs.

La charge et l'énergie transférée semblent être directement proportionnelles au diamètre de l'électrode métallique, jusqu'à environ 20 mm. La polarité initiale de l'isolant influence également la charge et l'énergie transférée. Les décharges partielles des surfaces chargées positivement sont moins énergétiques que celles des surfaces chargées négativement. Il est impossible de déterminer, a priori, l'énergie transférée par une décharge à partir d'une surface isolante, contrairement à la situation impliquant des surfaces conductrices. En effet, la surface isolante n'étant pas équipotentielle, il n'est même pas possible de définir les capacités mises en jeu.

Décharge rampante

On a vu dans l'équation 3 (tableau 1) que la densité de charge surfacique d'une surface isolante dans l'air ne peut excéder 2,660 XNUMX pC/cm2.

Si l'on considère une plaque isolante ou un film d'épaisseur a, reposant sur une électrode métallique ou ayant une face métallique, il est aisé de démontrer que le champ électrique est aspiré dans l'isolant par la charge induite sur l'électrode au fur et à mesure que des charges se déposent sur la face non métallique. De ce fait, le champ électrique dans l'air est très faible, et inférieur à ce qu'il serait si l'une des faces n'était pas métallique. Dans ce cas, la rigidité diélectrique de l'air ne limite pas l'accumulation de charges sur la surface isolante, et il est possible d'atteindre des densités de charges surfaciques très élevées (>2,660 XNUMX pC/cm2). Cette accumulation de charge augmente la conductivité de surface de l'isolant.

Lorsqu'une électrode s'approche d'une surface isolante, il se produit une décharge rampante impliquant une grande partie de la surface chargée devenue conductrice. En raison des grandes surfaces concernées, ce type de décharge libère de grandes quantités d'énergie. Dans le cas des films, le champ d'air est très faible et la distance entre l'électrode et le film ne doit pas dépasser l'épaisseur du film pour qu'une décharge se produise. Une décharge rampante peut également se produire lorsqu'un isolant chargé est séparé de sa sous-couche métallique. Dans ces conditions, le champ d'air augmente brusquement et toute la surface de l'isolant se décharge pour rétablir l'équilibre.

Décharges électrostatiques et risques d'incendie et d'explosion

En atmosphère explosive, des réactions d'oxydation exothermiques violentes, impliquant un transfert d'énergie vers l'atmosphère, peuvent être déclenchées par :

  • flammes nues
  • étincelles électriques
  • étincelles de radiofréquence à proximité d'une source radio puissante
  • étincelles produites par des collisions (par exemple, entre le métal et le béton)
  • décharges électrostatiques.

 

Nous ne nous intéressons ici qu'au dernier cas. Les points d'éclair (température à laquelle les vapeurs liquides s'enflamment au contact d'une flamme nue) de divers liquides et la température d'auto-inflammation de diverses vapeurs sont indiqués dans la section chimique de ce Encyclopédie. Le risque d'incendie lié aux décharges électrostatiques peut être évalué par référence à la limite inférieure d'inflammabilité des gaz, vapeurs et aérosols solides ou liquides. Cette limite peut varier considérablement, comme l'illustre le tableau 3.

Tableau 3. Limites inférieures d'inflammabilité typiques

Décharge

limite

Certaines poudres

Plusieurs joules

Aérosols très fins de soufre et d'aluminium

Plusieurs millijoules

Vapeurs d'hydrocarbures et autres liquides organiques

200 microjoules

Hydrogène et acétylène

20 microjoules

explosifs

1 microjoule

 

Un mélange d'air et de gaz ou de vapeur inflammable ne peut exploser que lorsque la concentration de la substance inflammable se situe entre ses limites supérieure et inférieure d'explosivité. Dans cette plage, l'énergie d'allumage minimale (MIE) - l'énergie qu'une décharge électrostatique doit posséder pour enflammer le mélange - dépend fortement de la concentration. Il a été démontré que l'énergie minimale d'allumage dépend de la vitesse de libération de l'énergie et, par extension, de la durée de décharge. Le rayon de l'électrode est également un facteur :

  • Les électrodes de petit diamètre (de l'ordre de quelques millimètres) provoquent des décharges corona plutôt que des étincelles.
  • Avec des électrodes de plus gros diamètre (de l'ordre de quelques centimètres), la masse d'électrode sert à refroidir les étincelles.

 

En général, les MIE les plus faibles sont obtenus avec des électrodes juste assez grandes pour éviter les décharges corona.

La MIE dépend également de la distance interélectrodes, et est la plus faible à la distance de pincement, distance à laquelle l'énergie produite dans la zone de réaction dépasse les pertes thermiques aux électrodes. Il a été démontré expérimentalement que chaque substance inflammable a une distance maximale de sécurité, correspondant à la distance minimale entre électrodes à laquelle une explosion peut se produire. Pour les hydrocarbures, elle est inférieure à 1 mm.

La probabilité d'explosions de poudre dépend de la concentration, la probabilité la plus élevée étant associée à des concentrations de l'ordre de 200 à 500 g/m3. Le MIE dépend également de la taille des particules, les poudres plus fines explosant plus facilement. Pour les gaz et les aérosols, le MIE diminue avec la température.

Exemples industriels

De nombreux processus couramment utilisés pour la manipulation et le transport de produits chimiques génèrent des charges électrostatiques. Ceux-ci inclus:

  • verser les poudres des sacs
  • dépistage
  • transport en tuyauterie
  • agitation liquide, en particulier en présence de phases multiples, de solides en suspension ou de gouttelettes de liquides non miscibles
  • pulvérisation de liquide ou brumisation.

 

Les conséquences de la génération de charges électrostatiques incluent des problèmes mécaniques, un risque de décharge électrostatique pour les opérateurs et, si des produits contenant des solvants ou des vapeurs inflammables sont utilisés, même une explosion (voir tableau 4).

Tableau 4. Redevance spécifique associée à certaines opérations industrielles

Opération

Frais spécifiques
(q/m) (C/kg)

Tamisage

10-8 -10- 11

Remplissage ou vidange de silo

10-7 -10-9

Transport par vis sans fin

10-6 -10-8

Meulage

10-6 -10-7

Micronisation

10-4 -10-7

Transport pneumatique

10-4 -10-6

 

Les hydrocarbures liquides, tels que le pétrole, le kérosène et de nombreux solvants usuels, ont deux caractéristiques qui les rendent particulièrement sensibles aux problèmes d'électricité statique :

  • haute résistivité, ce qui leur permet d'accumuler des niveaux élevés de charges
  • les vapeurs inflammables, qui augmentent le risque de rejets à faible énergie provoquant des incendies et des explosions.

 

Des charges peuvent être générées pendant le flux de transport (par exemple, via des canalisations, des pompes ou des vannes). Le passage à travers des filtres fins, tels que ceux utilisés lors du remplissage des réservoirs des avions, peut entraîner la génération de densités de charge de plusieurs centaines de microcoulombs par mètre cube. La sédimentation des particules et la génération de brouillards chargés ou de mousses lors du remplissage en continu des réservoirs peuvent également générer des charges.

Entre 1953 et 1971, l'électricité statique a été responsable de 35 incendies et explosions pendant ou après le remplissage de réservoirs de kérosène, et encore plus d'accidents se sont produits lors du remplissage de réservoirs de camions. La présence de filtres ou les éclaboussures lors du remplissage (dues à la génération de mousses ou de brouillards) sont les facteurs de risque les plus fréquemment identifiés. Des accidents se sont également produits à bord de pétroliers, notamment lors du nettoyage des citernes.

Principes de prévention de l'électricité statique

Tous les problèmes liés à l'électricité statique proviennent de :

  • génération de charges électriques
  • accumulation de ces charges sur des isolants ou des conducteurs isolés
  • champ électrique produit par ces charges, qui à son tour se traduit par une force ou une décharge perturbatrice.

 

Les mesures préventives visent à éviter l'accumulation de charges électrostatiques, et la stratégie de choix est d'éviter de générer les charges électriques en premier lieu. Si cela n'est pas possible, des mesures visant à ancrer les charges doivent être mises en œuvre. Enfin, si des décharges sont inévitables, les objets sensibles doivent être protégés des effets des décharges.

Suppression ou réduction de la génération de charges électrostatiques

C'est la première approche de prévention électrostatique qui devrait être entreprise, car c'est la seule mesure préventive qui élimine le problème à sa source. Cependant, comme discuté précédemment, des charges sont générées chaque fois que deux matériaux, dont au moins un est isolant, entrent en contact et sont ensuite séparés. En pratique, la génération de charge peut se produire même lors du contact et de la séparation d'un matériau avec lui-même. En effet, la génération de charges implique les couches superficielles des matériaux. Étant donné que la moindre différence d'humidité de surface ou de contamination de surface entraîne la génération de charges statiques, il est impossible d'éviter complètement la génération de charges.

Pour réduire la quantité de charges générées par les surfaces entrant en contact :

  • Évitez que des matériaux entrent en contact les uns avec les autres s'ils ont des affinités électroniques très différentes, c'est-à-dire s'ils sont très éloignés dans la série triboélectrique. Par exemple, évitez le contact entre le verre et le Téflon (PTFE), ou entre le PVC et le polyamide (nylon) (voir tableau 2).
  • Réduire le débit d'écoulement entre les matériaux. Cela réduit la vitesse de cisaillement entre les matériaux solides. Par exemple, on peut réduire le débit de l'extrusion de films plastiques, du déplacement de matériaux broyés sur un convoyeur, ou de liquides dans une canalisation.

 

Aucune limite de sécurité définitive pour les débits n'a été établie. La norme britannique BS-5958-Part 2  Code de pratique pour le contrôle de l'électricité statique indésirable recommande que le produit de la vitesse (en mètres par seconde) et du diamètre du tuyau (en mètres) soit inférieur à 0.38 pour les liquides de conductivité inférieure à 5 pS/m (en pico-siemens par mètre) et inférieur à 0.5 pour les liquides avec des conductivités supérieures à 5 pS/m. Ce critère n'est valable que pour les liquides monophasiques transportés à des vitesses ne dépassant pas 7 m/s.

Il convient de noter que la réduction du cisaillement ou de la vitesse d'écoulement réduit non seulement la génération de charges, mais aide également à dissiper toutes les charges générées. En effet, des vitesses d'écoulement plus faibles entraînent des temps de séjour supérieurs à ceux associés aux zones de relaxation, où les débits sont réduits par des stratégies telles que l'augmentation du diamètre des conduites. Ceci, à son tour, augmente la mise à la terre.

Mise à la terre de l'électricité statique

La règle de base de la prévention électrostatique est d'éliminer les différences de potentiel entre les objets. Cela peut être fait en les connectant ou en les mettant à la terre. Les conducteurs isolés peuvent cependant accumuler des charges et ainsi se charger par induction, phénomène qui leur est propre. Les décharges des conducteurs peuvent prendre la forme d'étincelles à haute énergie et dangereuses.

Cette règle est conforme aux recommandations relatives à la prévention des chocs électriques, qui imposent également que toutes les parties métalliques accessibles des équipements électriques soient reliées à la terre comme dans la norme française Installations électriques basse tension (NFC 15-100). Pour une sécurité électrostatique maximale, qui nous préoccupe ici, cette règle doit être généralisée à tous les éléments conducteurs. Cela comprend les cadres de table en métal, les poignées de porte, les composants électroniques, les réservoirs utilisés dans les industries chimiques et les châssis des véhicules utilisés pour le transport des hydrocarbures.

Du point de vue de la sécurité électrostatique, le monde idéal serait celui dans lequel tout serait conducteur et serait en permanence mis à la terre, transférant ainsi toutes les charges dans la terre. Dans ces conditions, tout serait en permanence équipotentiel, et le champ électrique - et le risque de décharge - serait par conséquent nul. Cependant, il n'est presque jamais possible d'atteindre cet idéal, pour les raisons suivantes :

  • Tous les produits à manipuler ne sont pas conducteurs et beaucoup ne peuvent pas être rendus conducteurs par l'utilisation d'additifs. Les produits agricoles et pharmaceutiques et les liquides de haute pureté en sont des exemples.
  • Les propriétés souhaitables du produit final, telles que la transparence optique ou la faible conductivité thermique, peuvent empêcher l'utilisation de matériaux conducteurs.
  • Il est impossible de mettre à la terre en permanence des équipements mobiles tels que des chariots métalliques, des outils électroniques sans fil, des véhicules et même des opérateurs humains.

 

Protection contre les décharges électrostatiques

Il convient de garder à l'esprit que cette section ne concerne que la protection des équipements électrostatiquement sensibles contre les décharges inévitables, la réduction de la génération de charges et l'élimination des charges. La capacité de protéger l'équipement n'élimine pas la nécessité fondamentale d'empêcher l'accumulation de charges électrostatiques en premier lieu.

Comme l'illustre la figure 2, tous les problèmes électrostatiques impliquent une source de décharge électrostatique (l'objet initialement chargé), une cible qui reçoit la décharge et l'environnement à travers lequel la décharge se déplace (décharge diélectrique). Il convient de noter que la cible ou l'environnement peuvent être électrostatiquement sensibles. Quelques exemples d'éléments sensibles sont listés dans le tableau 5.

Figure 2. Schéma du problème de décharge électrostatique

ELE030F2

Tableau 6. Exemples d'équipements sensibles aux décharges électrostatiques

Élément sensible

Exemples

Identifier

Un opérateur touchant une poignée de porte ou le châssis d'une voiture A
Composant électronique chargé entrant en contact avec un
objet mis à la terre

Target

Composants électroniques ou matériaux touchant un opérateur chargé

Environment

Un mélange explosif enflammé par une décharge électrostatique

 

Protection des travailleurs

Les travailleurs qui ont des raisons de croire qu'ils sont devenus chargés électriquement (par exemple, lorsqu'ils descendent d'un véhicule par temps sec ou marchent avec certains types de chaussures), peuvent appliquer un certain nombre de mesures de protection, telles que les suivantes :

  • Réduisez la densité de courant au niveau de la peau en touchant un conducteur mis à la terre avec un morceau de métal tel qu'une clé ou un outil.
  • Réduisez la valeur de crête du courant en déchargeant vers un objet dissipateur, s'il y en a un (un dessus de table ou un dispositif spécial tel qu'un bracelet de protection avec résistance série).

 

Protection en atmosphères explosives

Dans les atmosphères explosives, c'est l'environnement lui-même qui est sensible aux décharges électrostatiques, et les décharges peuvent provoquer une inflammation ou une explosion. La protection consiste alors à remplacer l'air, soit par un mélange gazeux dont la teneur en oxygène est inférieure à la limite inférieure d'explosivité, soit par un gaz inerte, tel que l'azote. Le gaz inerte a été utilisé dans les silos et dans les cuves de réaction dans les industries chimiques et pharmaceutiques. Dans ce cas, des précautions adéquates pour s'assurer que les travailleurs reçoivent une alimentation en air adéquate sont nécessaires.

 

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