Lunedi, Febbraio 28 2011 19: 25

Elettricità statica

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Tutti i materiali differiscono nel grado in cui le cariche elettriche possono attraversarli. conduttori consentire alle cariche di fluire, mentre isolatori ostacolare il movimento delle cariche. L'elettrostatica è il campo dedicato allo studio delle cariche, o corpi carichi a riposo. Elettricità statica risultati quando cariche elettriche che non si muovono sono accumulate su oggetti. Se le cariche fluiscono, ne risulta una corrente e l'elettricità non è più statica. La corrente che risulta dallo spostamento delle cariche è comunemente chiamata dai profani elettricità, ed è discussa negli altri articoli di questo capitolo. Elettrificazione statica è il termine utilizzato per designare qualsiasi processo che porti alla separazione di cariche elettriche positive e negative. La conduzione è misurata con una proprietà chiamata conduttanza, mentre un isolante è caratterizzato dalla sua resistività. La separazione della carica che porta all'elettrificazione può verificarsi come risultato di processi meccanici, ad esempio il contatto tra oggetti e l'attrito o la collisione di due superfici. Le superfici possono essere due solidi o un solido e un liquido. Il processo meccanico può, meno comunemente, essere la rottura o la separazione di superfici solide o liquide. Questo articolo si concentra sul contatto e l'attrito.

Processi di elettrificazione

Il fenomeno della generazione di elettricità statica per attrito (triboelettrificazione) è noto da migliaia di anni. Il contatto tra due materiali è sufficiente per indurre l'elettrificazione. L'attrito è semplicemente un tipo di interazione che aumenta l'area di contatto e genera calore—attrito è il termine generico per descrivere il movimento di due oggetti in contatto; la pressione esercitata, la sua velocità di taglio e il calore generato sono i principali determinanti della carica generata dall'attrito. A volte l'attrito porterà anche allo strappo di particelle solide.

Quando i due solidi in contatto sono metalli (contatto metallo-metallo), gli elettroni migrano dall'uno all'altro. Ogni metallo è caratterizzato da un diverso potenziale iniziale (potenziale di Fermi) e la natura va sempre verso l'equilibrio, cioè i fenomeni naturali lavorano per eliminare le differenze di potenziale. Questa migrazione di elettroni provoca la generazione di un potenziale di contatto. Poiché le cariche in un metallo sono molto mobili (i metalli sono ottimi conduttori), le cariche si ricombineranno anche nell'ultimo punto di contatto prima che i due metalli si separino. È quindi impossibile indurre l'elettrificazione avvicinando due metalli e poi separandoli; le cariche fluiranno sempre per eliminare la differenza di potenziale.

Quando metallo e isolante entrano in contatto quasi senza attrito nel vuoto, il livello di energia degli elettroni nel metallo si avvicina a quello dell'isolante. Le impurità superficiali o sfuse fanno sì che ciò si verifichi e impediscono anche la formazione di archi (la scarica di elettricità tra i due corpi carichi, gli elettrodi) al momento della separazione. La carica trasferita all'isolante è proporzionale all'affinità elettronica del metallo, e ogni isolante ha anche un'affinità elettronica, o attrazione per gli elettroni, ad essa associata. Pertanto, è anche possibile il trasferimento di ioni positivi o negativi dall'isolante al metallo. La carica sulla superficie dopo il contatto e la separazione è descritta dall'equazione 1 nella tabella 1.


Tabella 1. Relazioni di base in elettrostatica - Raccolta di equazioni

Equazione 1: carica per contatto di un metallo e un isolante

In generale, la densità di carica superficiale () dopo il contatto e la separazione 

può essere espresso da:

where

e è la carica di un elettrone
NE è la densità dello stato energetico sulla superficie dell'isolante
fi è l'affinità elettronica dell'isolante, e
fm è l'affinità elettronica del metallo

Equazione 2: carica in seguito al contatto tra due isolanti

La seguente forma generale dell'equazione 1 si applica al trasferimento di carica
tra due isolanti con stati energetici diversi (solo superfici perfettamente pulite):

where NE1 ed NE2 sono le densità di stato energetico sulla superficie dei due isolanti, 

ed  Ø1 ed Ø 2 sono le affinità elettroniche dei due isolanti.

Equazione 3: Massima densità di carica superficiale

La rigidità dielettrica (EG) del gas circostante impone un limite superiore alla carica che è
possibile generare su una superficie isolante piana. In aria, EG è di circa 3 MV/m.
La massima densità di carica superficiale è data da:

Equazione 4: carica massima su una particella sferica

Quando le particelle nominalmente sferiche vengono caricate dall'effetto corona, il massimo
La carica che ogni particella può acquisire è data dal limite di Pauthenier:

where

qmax è la carica massima
a è il raggio della particella
eI è la permittività relativa e

Equazione 5: Scariche dai conduttori

Il potenziale di un conduttore isolato che trasporta carica Q è dato da V = Q/C ed
l'energia immagazzinata da:

Equazione 6: Andamento temporale del potenziale del conduttore carico

In un conduttore caricato da una corrente costante (IG), il corso temporale del
potenziale è descritto da:

where Rf è la resistenza alla perdita del conduttore

Equazione 7: Potenziale finale del conduttore carico

Per lungo tempo corso, t >Rf C, questo si riduce a:

e l'energia immagazzinata è data da:

Equazione 8: Energia immagazzinata del conduttore carico


Quando due isolanti entrano in contatto, si verifica il trasferimento di carica a causa dei diversi stati della loro energia superficiale (equazione 2, tabella 1). Le cariche trasferite sulla superficie di un isolante possono migrare più in profondità all'interno del materiale. L'umidità e la contaminazione superficiale possono modificare notevolmente il comportamento delle cariche. L'umidità superficiale in particolare aumenta le densità dello stato energetico superficiale aumentando la conduzione superficiale, che favorisce la ricombinazione di carica e facilita la mobilità ionica. La maggior parte delle persone lo riconoscerà dalle loro esperienze di vita quotidiana dal fatto che tendono ad essere soggette a elettricità statica durante le condizioni di siccità. Il contenuto di acqua di alcuni polimeri (plastica) cambierà man mano che vengono caricati. L'aumento o la diminuzione del contenuto d'acqua può anche invertire la direzione del flusso di carica (la sua polarità).

La polarità (positività e negatività relative) di due isolanti in contatto tra loro dipende dall'affinità elettronica di ciascun materiale. Gli isolanti possono essere classificati in base alle loro affinità elettroniche e alcuni valori illustrativi sono elencati nella tabella 2. L'affinità elettronica di un isolante è una considerazione importante per i programmi di prevenzione, discussi più avanti in questo articolo.

Tabella 2. Affinità elettroniche di polimeri selezionati*

Ricarica

Materiali

Affinità elettronica (EV)

-

PVC (cloruro di polivinile)

4.85

 

Poliammide

4.36

 

policarbonato

4.26

 

PTFE (politetrafluoroetilene)

4.26

 

PETP (polietilene tereftalato)

4.25

 

Polistirolo

4.22

+

Poliammide

4.08

* Un materiale acquista una carica positiva quando entra in contatto con un materiale elencato sopra di esso, e una carica negativa quando entra in contatto con un materiale elencato sotto di esso. Tuttavia, l'affinità elettronica di un isolante è multifattoriale.

 

Sebbene ci siano stati tentativi di stabilire una serie triboelettrica che classificherebbe i materiali in modo che quelli che acquisiscono una carica positiva al contatto con i materiali appaiano più in alto nella serie rispetto a quelli che acquisiscono una carica negativa al contatto, non è stata stabilita alcuna serie universalmente riconosciuta.

Quando un solido e un liquido si incontrano (per formare a interfaccia solido-liquido), il trasferimento di carica avviene a causa della migrazione degli ioni presenti nel liquido. Questi ioni derivano dalla dissociazione di impurità eventualmente presenti o da reazioni elettrochimiche di ossidoriduzione. Poiché, in pratica, non esistono liquidi perfettamente puri, ci saranno sempre almeno alcuni ioni positivi e negativi nel liquido disponibili per legarsi all'interfaccia liquido-solido. Esistono molti tipi di meccanismi mediante i quali può verificarsi questo legame (p. es., adesione elettrostatica a superfici metalliche, assorbimento chimico, iniezione elettrolitica, dissociazione di gruppi polari e, se la parete del vaso è isolante, reazioni liquido-solido).

Poiché le sostanze che si dissolvono (dissociano) sono elettricamente neutre per cominciare, genereranno un numero uguale di cariche positive e negative. L'elettrificazione avviene solo se le cariche positive o negative aderiscono preferenzialmente alla superficie del solido. In questo caso si forma uno strato molto compatto, noto come strato di Helmholtz. Poiché lo strato di Helmholtz è carico, attirerà verso di sé ioni di polarità opposta. Questi ioni si raggrupperanno in uno strato più diffuso, noto come strato di Gouy, che poggia sulla superficie dello strato compatto di Helmholtz. Lo spessore dello strato Gouy aumenta con la resistività del liquido. I liquidi conduttori formano strati di Gouy molto sottili.

Questo doppio strato si separerà se il liquido scorre, con lo strato di Helmholtz che rimane legato all'interfaccia e lo strato di Gouy che viene trascinato dal liquido che scorre. Il movimento di questi strati carichi produce una differenza di potenziale (il zeta potenziale), e la corrente indotta dalle cariche in movimento è nota come corrente continua. La quantità di carica che si accumula nel liquido dipende dalla velocità con cui gli ioni si diffondono verso l'interfaccia e dalla resistività del liquido (R). La corrente in streaming è, tuttavia, costante nel tempo.

Né i liquidi altamente isolanti né quelli conduttori si caricheranno: il primo perché sono presenti pochissimi ioni, e il secondo perché nei liquidi che conducono molto bene l'elettricità, gli ioni si ricombineranno molto rapidamente. In pratica l'elettrificazione avviene solo nei liquidi con resistività maggiore di 107Ωm o inferiore a 1011Ωm, con i valori più alti osservati per r 109 a 1011 Ωm.

I liquidi che scorrono indurranno l'accumulo di carica nelle superfici isolanti su cui scorrono. La misura in cui la densità di carica superficiale si accumulerà è limitata da (1) quanto velocemente gli ioni nel liquido si ricombinano all'interfaccia liquido-solido, (2) quanto velocemente gli ioni nel liquido vengono condotti attraverso l'isolante, o ( 3) se si verifica un arco superficiale o di massa attraverso l'isolatore e la carica viene quindi scaricata. Il flusso turbolento e il flusso su superfici ruvide favoriscono l'elettrificazione.

Quando un'alta tensione, diciamo diversi kilovolt, viene applicata a un corpo carico (un elettrodo) che ha un piccolo raggio (ad esempio un filo), il campo elettrico nelle immediate vicinanze del corpo carico è elevato, ma diminuisce rapidamente con distanza. Se c'è una scarica delle cariche immagazzinate, la scarica sarà limitata alla regione in cui il campo elettrico è più forte della rigidità dielettrica dell'atmosfera circostante, un fenomeno noto come effetto corona, perché anche l'arco emette luce. (Le persone potrebbero effettivamente aver visto formarsi piccole scintille quando hanno sperimentato personalmente uno shock dovuto all'elettricità statica.)

La densità di carica su una superficie isolante può anche essere modificata dagli elettroni in movimento generati da un campo elettrico ad alta intensità. Questi elettroni genereranno ioni da qualsiasi molecola di gas nell'atmosfera con cui entrano in contatto. Quando la carica elettrica sul corpo è positiva, il corpo carico respingerà tutti gli ioni positivi che sono stati creati. Gli elettroni creati da oggetti caricati negativamente perderanno energia mentre si allontanano dall'elettrodo e si legheranno alle molecole di gas nell'atmosfera, formando così ioni negativi che continuano a ritirarsi lontano dai punti di carica. Questi ioni positivi e negativi possono posarsi su qualsiasi superficie isolante e modificare la densità di carica della superficie. Questo tipo di carica è molto più facile da controllare e più uniforme delle cariche create dall'attrito. Ci sono limiti all'entità degli oneri che è possibile generare in questo modo. Il limite è descritto matematicamente nell'equazione 3 nella tabella 1.

Per generare cariche più elevate è necessario aumentare la rigidità dielettrica dell'ambiente, creando il vuoto o metallizzando l'altra superficie del film isolante. Quest'ultimo stratagemma attira il campo elettrico nell'isolante e di conseguenza riduce l'intensità del campo nel gas circostante.

Quando un conduttore in un campo elettrico (E) è collegato a terra (vedi figura 1), le cariche possono essere prodotte per induzione. In queste condizioni, il campo elettrico induce la polarizzazione, la separazione dei centri di gravità degli ioni negativi e positivi del conduttore. Un conduttore temporaneamente messo a terra in un solo punto trasporterà una carica netta quando scollegato da terra, a causa della migrazione di cariche in prossimità del punto. Questo spiega perché le particelle conduttrici situate in un campo uniforme oscillano tra gli elettrodi, caricandosi e scaricandosi ad ogni contatto.

Figura 1. Meccanismo di carica di un conduttore per induzione

ELE030F1

Rischi associati all'elettricità statica

Gli effetti negativi causati dall'accumulo di elettricità statica vanno dal disagio che si prova quando si tocca un oggetto carico, come la maniglia di una porta, alle lesioni molto gravi, anche mortali, che possono verificarsi a causa di un'esplosione indotta dall'elettricità statica. L'effetto fisiologico delle scariche elettrostatiche sull'uomo varia da fastidiosi formicolii ad azioni riflesse violente. Questi effetti sono prodotti dalla corrente di scarica e, soprattutto, dalla densità di corrente sulla pelle.

In questo articolo descriveremo alcuni modi pratici in cui le superfici e gli oggetti possono caricarsi (elettrificazione). Quando il campo elettrico indotto supera la capacità dell'ambiente circostante di sopportare la carica (ovvero supera la rigidità dielettrica dell'ambiente), si verifica una scarica. (In aria, la rigidità dielettrica è descritta dalla curva di Paschen ed è una funzione del prodotto della pressione per la distanza tra i corpi carichi.)

Gli scarichi di disturbo possono assumere le seguenti forme:

  • scintille o archi che collegano due corpi carichi (due elettrodi metallici)
  • scariche parziali, oa pennello, che collegano un elettrodo metallico e un isolante, o anche due isolanti; queste scariche sono dette parziali perché il percorso conduttivo non cortocircuita totalmente due elettrodi metallici, ma è solitamente multiplo e a spazzola
  • scariche corona, note anche come effetti puntiformi, che si verificano nel forte campo elettrico attorno a corpi o elettrodi carichi di piccolo raggio.

 

I conduttori isolati hanno una capacità netta C rispetto al suolo. Questa relazione tra carica e potenziale è espressa nell'equazione 5 nella tabella 1.

Una persona che indossa scarpe isolanti è un esempio comune di conduttore isolato. Il corpo umano è un conduttore elettrostatico, con una capacità tipica rispetto a terra di circa 150 pF e un potenziale fino a 30 kV. Poiché le persone possono essere conduttori isolanti, possono sperimentare scariche elettrostatiche, come la sensazione più o meno dolorosa che talvolta si produce quando una mano si avvicina alla maniglia di una porta o ad un altro oggetto metallico. Quando il potenziale raggiunge circa 2 kV, si sperimenterà l'equivalente di un'energia di 0.3 mJ, sebbene questa soglia vari da persona a persona. Scariche più forti possono causare movimenti incontrollabili con conseguenti cadute. Nel caso di lavoratori che utilizzano strumenti, i movimenti riflessi involontari possono causare lesioni alla vittima e ad altri che potrebbero lavorare nelle vicinanze. Le equazioni da 6 a 8 nella tabella 1 descrivono l'andamento temporale del potenziale.

L'arco elettrico effettivo si verificherà quando la forza del campo elettrico indotto supera la rigidità dielettrica dell'aria. A causa della rapida migrazione delle cariche nei conduttori, essenzialmente tutte le cariche fluiscono verso il punto di scarica, rilasciando tutta l'energia immagazzinata in una scintilla. Ciò può avere gravi implicazioni quando si lavora con sostanze infiammabili o esplosive o in condizioni infiammabili.

L'avvicinamento di un elettrodo messo a terra a una superficie isolante carica modifica il campo elettrico e induce una carica nell'elettrodo. Man mano che le superfici si avvicinano l'una all'altra, l'intensità del campo aumenta, portando infine a una scarica parziale dalla superficie isolata carica. Poiché le cariche sulle superfici isolanti non sono molto mobili, solo una piccola parte della superficie partecipa alla scarica e l'energia rilasciata da questo tipo di scarica è quindi molto inferiore a quella degli archi.

La carica e l'energia trasferita sembrano essere direttamente proporzionali al diametro dell'elettrodo metallico, fino a circa 20 mm. La polarità iniziale dell'isolante influenza anche la carica e l'energia trasferita. Le scariche parziali da superfici caricate positivamente sono meno energetiche di quelle da superfici caricate negativamente. Impossibile stabilire, a priori, l'energia trasferita da una scarica da una superficie isolante, in contrasto con la situazione che coinvolge le superfici conduttrici. Infatti, poiché la superficie isolante non è equipotenziale, non è nemmeno possibile definire le capacità in gioco.

Scarico strisciante

Abbiamo visto nell'equazione 3 (tabella 1) che la densità di carica superficiale di una superficie isolante in aria non può superare 2,660 pC/cm2.

Se consideriamo una lastra isolante o un film di spessore a, appoggiato su un elettrodo metallico o avente una faccia metallica, è facile dimostrare che il campo elettrico viene attirato nell'isolante dalla carica indotta sull'elettrodo quando le cariche si depositano sulla faccia non metallica. Di conseguenza, il campo elettrico nell'aria è molto debole e inferiore a quello che sarebbe se una delle facce non fosse di metallo. In questo caso la rigidità dielettrica dell'aria non limita l'accumulo di carica sulla superficie isolante ed è possibile raggiungere densità superficiali di carica molto elevate (>2,660 pC/cm2). Questo accumulo di carica aumenta la conducibilità superficiale dell'isolante.

Quando un elettrodo si avvicina a una superficie isolante, si verifica una scarica strisciante che coinvolge gran parte della superficie carica che è diventata conduttrice. A causa delle grandi superfici interessate, questo tipo di scarica rilascia grandi quantità di energia. Nel caso delle pellicole, il campo d'aria è molto debole e la distanza tra l'elettrodo e la pellicola non deve essere superiore allo spessore della pellicola affinché si verifichi una scarica. Una scarica strisciante può verificarsi anche quando un isolante carico viene separato dal suo sottorivestimento metallico. In queste circostanze, il campo d'aria aumenta bruscamente e l'intera superficie dell'isolante si scarica per ristabilire l'equilibrio.

Scariche elettrostatiche e rischi di incendio ed esplosione

In atmosfere esplosive, violente reazioni di ossidazione esotermica, che comportano trasferimento di energia all'atmosfera, possono essere innescate da:

  • fiamme libere
  • scintille elettriche
  • scintille di radiofrequenza vicino a una forte sorgente radio
  • scintille prodotte da collisioni (p. es., tra metallo e cemento)
  • scariche elettrostatiche.

 

A noi interessa qui solo l'ultimo caso. I punti di infiammabilità (la temperatura alla quale i vapori liquidi si infiammano a contatto con una fiamma libera) di vari liquidi e la temperatura di autoaccensione di vari vapori sono riportati nella Sezione Chimica di questo Enciclopedia. Il rischio di incendio associato alle scariche elettrostatiche può essere valutato facendo riferimento al limite inferiore di infiammabilità di gas, vapori e aerosol solidi o liquidi. Questo limite può variare notevolmente, come illustra la tabella 3.

Tabella 3. Limiti inferiori tipici di infiammabilità

Scarico

Limitare

Alcune polveri

Diversi joule

Aerosol finissimi di zolfo e alluminio

Diversi millijoule

Vapori di idrocarburi e altri liquidi organici

200 microjoule

Idrogeno e acetilene

20 microjoule

Esplosivi

1 microjoule

 

Una miscela di aria e un gas o vapore infiammabile può esplodere solo quando la concentrazione della sostanza infiammabile è compresa tra i suoi limiti di esplosività superiore e inferiore. All'interno di questo intervallo, l'energia minima di accensione (MIE), l'energia che una scarica elettrostatica deve possedere per accendere la miscela, dipende fortemente dalla concentrazione. È stato costantemente dimostrato che l'energia di accensione minima dipende dalla velocità del rilascio di energia e, per estensione, dalla durata della scarica. Anche il raggio dell'elettrodo è un fattore:

  • Gli elettrodi di piccolo diametro (dell'ordine di diversi millimetri) provocano scariche corona piuttosto che scintille.
  • Con elettrodi di diametro maggiore (dell'ordine di alcuni centimetri), la massa dell'elettrodo serve a raffreddare le scintille.

 

In generale, le MIE più basse si ottengono con elettrodi sufficientemente grandi da prevenire le scariche corona.

La MIE dipende anche dalla distanza interelettrodica, ed è minima alla distanza di tempra (“distanza di pincement”), la distanza alla quale l'energia prodotta nella zona di reazione supera le perdite termiche agli elettrodi. È stato dimostrato sperimentalmente che ogni sostanza infiammabile ha una distanza massima di sicurezza, corrispondente alla minima distanza interelettrodica alla quale può verificarsi un'esplosione. Per gli idrocarburi, questo è inferiore a 1 mm.

La probabilità di esplosioni di polvere dipende dalla concentrazione, con la probabilità più alta associata a concentrazioni dell'ordine da 200 a 500 g/m3. Il MIE dipende anche dalla dimensione delle particelle, con polveri più fini che esplodono più facilmente. Sia per i gas che per gli aerosol, la MIE diminuisce con la temperatura.

Esempi industriali

Molti processi abitualmente utilizzati per la manipolazione e il trasporto di prodotti chimici generano cariche elettrostatiche. Questi includono:

  • versando polveri dai sacchi
  • screening
  • trasporto in tubazioni
  • agitazione di liquidi, soprattutto in presenza di più fasi, solidi sospesi o goccioline di liquidi non miscibili
  • spruzzatura o nebulizzazione di liquidi.

 

Le conseguenze della generazione di cariche elettrostatiche includono problemi meccanici, pericolo di scariche elettrostatiche per gli operatori e, se si utilizzano prodotti contenenti solventi o vapori infiammabili, anche esplosioni (vedi tabella 4).

Tabella 4. Onere specifico associato a operazioni industriali selezionate

Funzionamento

Carica specifica
(q/m) (C/kg)

Screening

10-8 -10 all'11 ottobre

Riempimento o svuotamento silo

10-7 -10-9

Trasporto con trasportatore a coclea

10-6 -10-8

Rettifica

10-6 -10-7

Micronizzazione

10-4 -10-7

Trasporto pneumatico

10-4 -10-6

 

Gli idrocarburi liquidi, come petrolio, cherosene e molti comuni solventi, hanno due caratteristiche che li rendono particolarmente sensibili ai problemi di elettricità statica:

  • alta resistività, che consente loro di accumulare alti livelli di cariche
  • vapori infiammabili, che aumentano il rischio di scariche a bassa energia che innescano incendi ed esplosioni.

 

Le cariche possono essere generate durante il flusso di trasporto (ad es. attraverso tubazioni, pompe o valvole). Il passaggio attraverso filtri fini, come quelli utilizzati durante il riempimento dei serbatoi degli aerei, può comportare la generazione di densità di carica di diverse centinaia di microcoulomb per metro cubo. Anche la sedimentazione delle particelle e la generazione di nebbie o schiume cariche durante il riempimento a flusso dei serbatoi possono generare cariche.

Tra il 1953 e il 1971, l'elettricità statica è stata responsabile di 35 incendi ed esplosioni durante o dopo il riempimento di serbatoi di cherosene, e ancora più incidenti si sono verificati durante il riempimento di serbatoi di camion. La presenza di filtri o spruzzi durante il riempimento (dovuti alla generazione di schiume o nebbie) sono stati i fattori di rischio più comunemente identificati. Incidenti si sono verificati anche a bordo di petroliere, soprattutto durante la pulizia delle cisterne.

Principi di prevenzione dell'elettricità statica

Tutti i problemi legati all'elettricità statica derivano da:

  • generazione di cariche elettriche
  • accumulo di queste cariche su isolanti o conduttori isolati
  • campo elettrico prodotto da queste cariche, che a sua volta si traduce in una forza o in una scarica dirompente.

 

Le misure preventive cercano di evitare l'accumulo di cariche elettrostatiche e la strategia scelta è evitare in primo luogo di generare le cariche elettriche. Se ciò non è possibile, dovrebbero essere attuate misure volte a mettere a terra le cariche. Infine, se le scariche sono inevitabili, gli oggetti sensibili dovrebbero essere protetti dagli effetti delle scariche.

Soppressione o riduzione della generazione di carica elettrostatica

Questo è il primo approccio alla prevenzione elettrostatica che dovrebbe essere intrapreso, perché è l'unica misura preventiva che elimina il problema alla fonte. Tuttavia, come discusso in precedenza, le cariche si generano ogni volta che due materiali, di cui almeno uno isolante, entrano in contatto e successivamente si separano. In pratica, la generazione di carica può avvenire anche per contatto e separazione di un materiale con se stesso. La generazione di carica coinvolge infatti gli strati superficiali dei materiali. Poiché la minima differenza nell'umidità superficiale o nella contaminazione della superficie provoca la generazione di cariche statiche, è impossibile evitare completamente la generazione di cariche.

Per ridurre la quantità di cariche generate dalle superfici a contatto:

  • Evita che i materiali entrino in contatto tra loro se hanno affinità elettroniche molto diverse, cioè se sono molto distanti nella serie triboelettrica. Ad esempio, evitare il contatto tra vetro e teflon (PTFE), o tra PVC e poliammide (nylon) (vedi tabella 2).
  • Ridurre la velocità di flusso tra i materiali. Questo riduce la velocità di taglio tra materiali solidi. Ad esempio, si può ridurre la portata dell'estrusione di film plastici, del movimento di materiali frantumati su un trasportatore o di liquidi in una tubazione.

 

Non sono stati stabiliti limiti di sicurezza definitivi per le portate. Lo standard britannico BS-5958-Parte 2  Codice di condotta per il controllo dell'elettricità statica indesiderabile raccomanda che il prodotto della velocità (in metri al secondo) e il diametro del tubo (in metri) sia inferiore a 0.38 per liquidi con conducibilità inferiore a 5 pS/m (in pico-siemens per metro) e inferiore a 0.5 per liquidi con conducibilità superiori a 5 pS/m. Questo criterio è valido solo per liquidi monofase trasportati a velocità non superiori a 7 m/s.

Va notato che la riduzione del taglio o della velocità del flusso non solo riduce la generazione di carica, ma aiuta anche a dissipare eventuali cariche generate. Questo perché velocità di flusso inferiori comportano tempi di permanenza superiori a quelli associati alle zone di rilassamento, dove le portate sono ridotte da strategie come l'aumento del diametro del tubo. Questo, a sua volta, aumenta la messa a terra.

Messa a terra dell'elettricità statica

La regola base della prevenzione elettrostatica è eliminare le differenze di potenziale tra gli oggetti. Questo può essere fatto collegandoli o mettendoli a terra. I conduttori isolati, tuttavia, possono accumulare cariche e quindi possono caricarsi per induzione, un fenomeno che è unico per loro. Le scariche dai conduttori possono assumere la forma di scintille ad alta energia e pericolose.

Questa regola è coerente con le raccomandazioni relative alla prevenzione delle scosse elettriche, che richiedono anche che tutte le parti metalliche accessibili delle apparecchiature elettriche siano messe a terra come nella norma francese Impianti elettrici a bassa tensione (NFC 15-100). Per la massima sicurezza elettrostatica, la nostra preoccupazione qui, questa regola dovrebbe essere generalizzata a tutti gli elementi conduttori. Ciò include i telai dei tavoli in metallo, le maniglie delle porte, i componenti elettronici, i serbatoi utilizzati nelle industrie chimiche e il telaio dei veicoli utilizzati per il trasporto di idrocarburi.

Dal punto di vista della sicurezza elettrostatica, il mondo ideale sarebbe quello in cui tutto sarebbe un conduttore e sarebbe permanentemente messo a terra, trasferendo così tutte le cariche nella terra. In queste circostanze, tutto sarebbe permanentemente equipotenziale e il campo elettrico - e il rischio di scarica - sarebbero di conseguenza nulli. Tuttavia, non è quasi mai possibile raggiungere questo ideale, per i seguenti motivi:

  • Non tutti i prodotti che devono essere maneggiati sono conduttori e molti non possono essere resi conduttivi mediante l'uso di additivi. Ne sono un esempio i prodotti agricoli e farmaceutici e i liquidi ad alta purezza.
  • Proprietà desiderabili del prodotto finale, come trasparenza ottica o bassa conduttività termica, possono precludere l'uso di materiali conduttivi.
  • È impossibile mettere a terra in modo permanente apparecchiature mobili come carrelli metallici, strumenti elettronici cordless, veicoli e persino operatori umani.

 

Protezione contro le scariche elettrostatiche

Va tenuto presente che questa sezione riguarda solo la protezione delle apparecchiature elettrostaticamente sensibili da scariche inevitabili, la riduzione della generazione di carica e l'eliminazione delle cariche. La capacità di proteggere le apparecchiature non elimina la necessità fondamentale di prevenire in primo luogo l'accumulo di cariche elettrostatiche.

Come illustra la figura 2, tutti i problemi elettrostatici coinvolgono una sorgente di scarica elettrostatica (l'oggetto caricato inizialmente), un bersaglio che riceve la scarica e l'ambiente attraverso il quale si propaga la scarica (scarica dielettrica). Va notato che il bersaglio o l'ambiente possono essere sensibili alle cariche elettrostatiche. Alcuni esempi di elementi sensibili sono elencati nella tabella 5.

Figura 2. Schema del problema delle scariche elettrostatiche

ELE030F2

Tabella 6. Esempi di apparecchiature sensibili alle scariche elettrostatiche

Elemento sensibile

Esempi

Fonte

Un operatore che tocca la maniglia di una porta o il telaio di un'auto A
Componente elettronico carico che entra in contatto con a
oggetto messo a terra

Target

Componenti elettronici o materiali che toccano un operatore carico

Ambiente

Una miscela esplosiva innescata da una scarica elettrostatica

 

Tutela dei lavoratori

I lavoratori che hanno motivo di ritenere di essersi caricati elettricamente (ad esempio, quando scendono da un veicolo con tempo asciutto o camminano con determinati tipi di scarpe), possono applicare una serie di misure protettive, come le seguenti:

  • Ridurre la densità di corrente a livello della pelle toccando un conduttore messo a terra con un pezzo di metallo come una chiave o uno strumento.
  • Ridurre il valore di picco della corrente scaricando su un oggetto dissipatore, se disponibile (un tavolo o un dispositivo speciale come un cinturino da polso protettivo con resistenza seriale).

 

Protezione in atmosfere esplosive

Nelle atmosfere esplosive, è l'ambiente stesso che è sensibile alle scariche elettrostatiche, e le scariche possono causare incendi o esplosioni. La protezione in questi casi consiste nel sostituire l'aria, o con una miscela di gas il cui contenuto di ossigeno è inferiore al limite inferiore di esplosività, oppure con un gas inerte, come l'azoto. Il gas inerte è stato utilizzato nei silos e nei recipienti di reazione nell'industria chimica e farmaceutica. In questo caso, sono necessarie adeguate precauzioni per assicurare che i lavoratori ricevano un adeguato apporto di aria.

 

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Elettricità Riferimenti

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