Описание лабораторной установки
Лабораторная работа №6
Изучение явления статического электричества
Цель работы.Ознакомиться с условиями возникновения статического электричества, способами его измерения и борьбы с ним.
Содержание работы
1. Измерить потенциал тела человека, возникающий при ходьбе по различным видам полового покрытия.Определить: электрический заряд, накопленный на теле человека; ток и энергию разряда.
2. Измерить потенциал, возникающий при трении различных материалов, Определить:накопленный заряд; энергию разряда.
3. Измерить удельное поверхностное сопротивление образцов полового покрытия. Построить зависимость потенциала статического электричества от удельного поверхностного сопротивления напольного покрытия.
Основные положения и понятия
Заряды статического электричества возникают в виде скоплений носителей зарядов одной полярности при разделении тел, до этого плотно соприкасавшихся, из которых, по крайней мере, одно должно быть изолятором. Заряды статического электричества появляются, например, при ходьбе по синтетическим коврам и линолеуму, вставанию со стульев, соприкосновении с элементами из пластмасс, сбегании бумажных или пластмассовых лент с роликов, при протекании изолирующих жидкостей по трубам и т. д.Электризация тел объясняется переносом электронов с одного вещества на другое. Наружные электроны атомов вещества часто слабо привязаны к своему ядру и при трении, обеспечивающем максимальный контакт поверхностей трущихся веществ, могут переходить от одного вещества к другому. Тело, получившее избыток электронов, заряжается отрицательно. Тело, потерявшее электроны – положительно.
Кроме электризации трением, существует также и электризация индукцией (от лат.«индукцио» – наведение, возникновение). Механизм электризации индукцией следующий:
- под действием внешнего электрического поля происходит поляризация (пространственное разделение)заряженных частиц изолированного от земли тела;
- при касании поляризованного тела к другим телам или «земле» часть одноименных зарядов стекает с него;
- после исчезновения внешнего электрического поля на теле остаётся преобладающее количество зарядов одного знака.
При разряде статического электричества в виде искры возникают переходные импульсные токи со временем нарастания в наносекундном диапазоне и связанные с ними переменные магнитные поля. Они могут вызвать функциональные помехи в ЭВМ, устройствах связи и других электронных приборах и даже привести к повреждению их полупроводниковых компонентов. Также опасность разрядов статического электричества заключается в их способности воспламенять многие горючие смеси. Воспламенение горючих смесей искровыми разрядами статического электричества произойдет, если выделяющаяся в разряде энергия будет больше минимальной энергии зажигания горючей смеси (см. приложение 1).
Действие самого статического электричества смертельной опасности для человека не представляет. Однако искровой разряд статического электричества человек ощущает как укол, толчок или судорогу, что может вызвать испуг и привести к несчастному случаю. Длительное и систематическое воздействие электростатических разрядов отрицательно сказывается на психофизиологическом состоянии работника.
Наиболее часто проблемы ЭМС возникают в результате разрядов статического электричества между объектом и телом человека. Возникающие на теле человека потенциалы зависят от его одежды, материала напольного покрытия и относительной влажности воздуха. Они могут достигать 15 кВ (рисунок 1, таблица 1).
|
| Рисунок 1 – Зависимость накопленного потенциалатела человека от относительной влажности воздуха и материала одежды |
Таблица 1
Данные о потенциалах статического электричествадля различных напольных покрытий
| Характеристика напольного покрытия | Характеристика одежды и обуви оператора | Наибольший потенциал оператора кВ |
| Синтетическое покрытие (ковролин), покрытый лаком паркет | Синтетические одежда и обувь | 30 кВ |
| Синтетическое покрытие (ковролин), покрытый лаком паркет | Синтетические одежда и обувь | 30 кВ |
| Токопроводящие (бетонные) полы или антистатический линолеум | Синтетические одежда и обувь | 12 кВ |
| Обычный (виниловый) линолеум | Синтетическая одежда и кожаная обувь | 8 кВ |
| Токопроводящие (бетонные) полы или антистатический линолеум | Синтетическая одежда и кожаная обувь | 6 кВ |
| Синтетическое покрытие (ковролин), покрытый лаком паркет | Хлопчатобумажная одежда и кожаная обувь | 4 кВ |
| Обычный (виниловый) линолеум | Хлопчатобумажная одежда и кожаная обувь | 2 кВ |
| Токопроводящие (бетонные) полы или антистатический линолеум | Хлопчатобумажная одежда и кожаная обувь | 0,5 кВ |
Во многих случаях разряды статического электричества можно смоделировать с помощью схемы замещения, представленной на рисунке 2. Здесь сопротивление RТ в зависимости от источника помех имеет следующие примерные значения: 1-1,5кОм для тела человека, и от 10 до 50 Ом для небольшой мебели (стульев, кресел, тележек с измерительными приборами и т. д.). CТ – емкость тела человека, ее значение лежит в диапазоне от 80 до 300 пФ; LТ – индуктивность цепи разряда, равной 1 мкГн/м.
Для крупных объектов (человек) характерна апериодическая форма разряда, затухающая с постоянной времени Т2=СТRТ, т. к. RТ>>ωLT. Разряд мелких объектов приводит к возникновению колебательного переходного процессу с частотой 
, т. к. RТ<<ωLT.
Рисунок 2 – Схема замещения цепи разряда заряженного тела
Время нарастания тока можно оцениватьпостоянной времени T1=LT/RT. При этом типичная крутизна фронта тока составляет несколько десятков ампер в наносекунду, а типичные максимальные амплитудные значения тока от 2 до 50 А. Обычно при разряде, происходящем с тела человека, имеет место большая крутизны фронта тока, а при разряде, происходящем с предметов, - большие амплитуды тока. Наиболее сильное воздействие разрядов статического электричества происходит, когда в руке или на руке человека имеется металлический предмет (ключ, отвертка, проводящие браслеты и т. д.). В этом случае крутизна фронта тока может достигать 100 А/нс.
Форму апериодического тока разряда (рисунок 3) можно описать уравнением 1, при условии, что рассматриваемый разряд происходит непосредственно у земли, т. е. CЗ=∞ и RЗ=0:
 , А.
| (1) |
Оценку наибольшего электростатического потенциала тела человека или любого другого заряженного объекта проводят путем непосредственных измерений или расчетом с использованием результатов измерений на образце напольного покрытия. При этом измеряют характеристики диэлектрического покрытия пола в помещении и оценивают диапазон изменения влажности воздуха в помещении.
Основными средствами защиты от статического электричества являются:
- отвод зарядов статического электричества путем заземления оборудования, резервуаров, коммуникаций и т.д.;
- нейтрализация зарядов статического электричества путем ионизации воздуха в местах возникновения или накопления зарядов статического электричества
- увеличение относительной влажности воздуха до 65-70%
- применение антистатических линолеумов, настилов, ковриков, матов;
- использование персоналом антистатической одежды (халатов, курток), антистатической обуви или полосок заземления, закрепляемых на любом типе обуви;
- заземление персонала посредством кистевых браслетов с шарнирным контактом и заземляющим кордом, присоединяемым к заземляющему устройству.
|
Рисунок 3 – Форма тока разряда заряженного тела
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из следующих элементов (рисунок 4):
1 – измерительный электрод;
2 – исследуемый образец напольного покрытия (ламинат, линолеум);
3 – статический киловольтметр С-196;
4 – испытательная камера;
5 – пульт управления вентилятором;
6 – тераомметр Е6-13;
7 – измерительная ячейка для тераомметра Е6-13;
8 – рабочая поверхность (заземленная пластина).
Потенциал статического электричества измеряется статическим киловольтметром 3 (инструкция по использованию статического киловольтметра С-196 приведена в приложении 2). Для выполнения измерений киловольтметр необходимо подключить изолированным проводником измерительному электроду 1. Перед каждым измерением измерительную пластину необходимо временно заземлить для снятия заряда. Заземление выполняется с помощью переносного заземляющего проводника. Для измерения потенциала статического электричества исследуемого материала его необходимо положить на измерительный электрод 1.
Рисунок 4 – Схема лабораторной установки
Электрическая емкость статического киловольтметра не более 15 пФ. Электрическую емкость измерительного электрода следует рассчитать самостоятельно, конструкция электрода приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Конструкция измерительного электрода
В лабораторной работе испытываются следующие материалы:
1. ткань с содержанием хлопка 97%;
2. ткань с содержанием полиэстера 97%;
3. ткань с содержанием полиэстера 100%;
4. полипропилен;
5. антистатический металлизированный пластик.
Испытуемый материал закрепленв специальном зажиме.
Методические указания
Перед началом работы необходимо:
1. включить тераомметрЕ6-13 (инструкция по использованию тераомметра Е6-13 приведена в приложении 3), т. к. прибору требуется время для прогрева;
2. измерить влажность воздуха в помещении, используя аспирационный психрометр (инструкция по использованию аспирационного психрометра приведена в приложении 4).
Измерение электрического потенциала тела человека.
Каждый член бригады должен измерить потенциал своего тела, возникающий при совершении шаркающих движений ногами в течении 10 секунд по различным типам половых покрытий (керамическая плитка, линолеум, ламинат). В отчете необходимо зафиксировать материал одежды.
Для измерения потенциала тела человека необходимо прикоснуться к измерительному электроду 1 металлическим стержнем, крепко зажатым в руке. Металлический стержень необходим для предотвращения болевых ощущений. Необходимо подождать пока показания киловольтметра установятся. После измерения потенциала избыточный заряд с тела человека необходимо удалить, прикоснувшись металлическим стержнем к заземленной пластине 8.
Рассчитать:
- электрический заряд, накопленный на теле человека(при расчете необходимо также учитывать емкости измерительного электрода и киловольтметра);
- потенциал тела человека до прикосновения к измерительному электроду;
- энергию разряда;
- ток, стекающий с тела человека, при разряде;
- длительность фронта импульса тока, длительность импульса токаи скорость нарастания тока.
Ток разряда и накопленный электрический заряд связывает выражение 2:
 , Кл.
| (2) |
В нашем случае Т1<<Т2, поэтому первым слагаемым в подынтегральном выражении можно пренебречь, тогда получаем (выражение 3);
 , Кл;
| (3) |
где: Т – длительность разряда, напримерТ=10·Т2, с.
Длительность фронта импульса тока и длительность импульсаопределяются по выражениям 4 и 5 соответственно:
 , с;
| (4) |
 , с.
| (5) |
Скорость нарастания тока равна отношению амплитудного значения тока к длительности фронта импульса.
Рассчитанную энергию разряда сравнить с энергией необходимой для возгорания паро – газовоздушных и пылевоздушных смесей (приложение 1) и с чувствительностью технических средств к электромагнитным помехам (приложение 5).
Измерение потенциала статического электричества, возникающего при трении образцов материалов о различные поверхности.
На заземленную пластину 8 положить лицевой стороной вниз образец напольного покрытия, подождать 3 секунды, потом перевернуть его лицевой стороной вверх (данная операция повторяется перед каждым измерением). Образец материала, закрепленный в зажиме для образцов, в течение 10 секунд необходимо шаркать о поверхность напольного покрытия.Затем образец следует положить на измерительный электрод. Показания киловольтметра фиксировать каждые 3 секунды в интервале времени от 0 до 15 секунд.Потом образец материала, закрепленный в зажиме для образцов, положить на заземленную пластину для снятия заряда. Измерения повторить 6 раз, полученные результаты записать в таблицу и вычислить среднее значение для каждого времени, отбросив максимальное и минимальное значения.
Рассчитать:
- электрический разряд, накопленный на образце, при расчете необходимо также учитывать емкости измерительного электрода и киловольтметра;
- энергию разряда.
Измерение удельного поверхностного сопротивления напольного покрытия.
Образец напольного покрытия поместить в измерительную камеру 7 (рисунок 4). Расположение электродов должно быть таким как на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема измерения удельного поверхностного сопротивления
На рисунке 6 приняты следующие обозначения. 1 – потенциальный электрод; 2 – измерительный электрод; 3 – охранный электрод; 4 - исследуемый образец. D – диаметр потенциального электрода (60 мм), g – зазор между потенциальным и измерительным электродами (1 мм).
Расчет удельного поверхностного сопротивления производится по выражению (6):
| (6) |
где: RS – измеренное поверхностное сопротивление, Ом.
Сопоставить значения потенциала статического электричества и удельное поверхностное сопротивление полового покрытия.
Список литературы
1. Овсянников А. Г. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебник / А. Г. Овсянников, Р. К. Борисов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011. – 196 с.
2. Вагин Г. Я. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебник для студ. высш. учебн. заведений / Г. Я. Вагин, А. Б. Лоскутов, А. А. Севостьянов. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 224 с.
3. Максимов Б. К. Статическое электричество в промышленности и защита от него / Б. К. Максимов, А. А. Обухов. – М. : Энергия, 1978 – (Б-ка Электромонтера; Вып. 478). – 80 с.
4. Шваб А. Электромагнитная совместимость. Пер. с нем. В. Д. Мазина и С. А. Спектора / Под ред. Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1995. 480 с.
5. Стандарт организации СО 34.35.311-2004 «Методические указания по обеспечению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях». – М. : Издательство МЭИ, 2004. 77 с.
6. Стандарт организации СТО 56947007-29.240.044-2010 «Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства». Дата введения 21.04.2010. 147 с.
Контрольные вопросы
1. Что такое статическое электричество? В чем заключается опасность проявления статического электричества?
2. Опишите механизмы возникновения статического электричества?
3. Почему некоторые материалы можно наэлектризовать трением, но невозможно индукцией?
4. С электризацией каких объектов связанны основные проблемы ЭМС в электроэнергетике?
5. Какие технологические процессы могут приводить к возникновению статического электричества?
6. Почему различаются характер разряда человека и более мелких предметов?
7. Как рассчитать энергию и ток разряда?
8. От каких параметров зависит заряд статического электричества?
9. От каких параметров зависит потенциал статического электричества?
10. Какие средства защиты от статического электричества Вы знаете? Пояснить принципы работы каждого средства.
11. Почему для измерения потенциала заряженных тел в работе используется статический киловольтметр?
12. Почему на практике потенциал статического электричества практически никогда не превышает 30 кВ?
13. Пояснить, почему если к зажиму с образцом материала подключить киловольтметр и совершить несколько шаркающих движений по поверхности напольного покрытияпоказания киловольтметра не изменятся?
14. Почему для измерения потенциала заряженного тела необходим измерительный электрод?
15. Чем можно объяснить снижение потенциала заряженного тела при его измерении?
16. Почему крутизна фронта тока при разряде с тела человека будет больше, если в руке зажаты металлические ключи?
17. Как и почему влияет удельное поверхностное сопротивление напольных покрытий на уровень статического электричества?
Приложение 1
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 731; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!