정전기

Static electricity
정전기에 대한 과학은 정전기를 참조하십시오.
정전기가 아이의 머리카락에 미치는 영향의 예.
에 관한 기사들
전자기학
Solenoid
정전기
자기정전학
전기역학
전기망
자기회로
공변 공식
사이언티스트

정전기는 물질 내부 또는 표면에 전하의 불균형을 말합니다.전하는 전류 또는 방전에 의해 이동할 수 있을 때까지 유지됩니다."정지 상태"라는 단어는 전하가 전기 도체를 통해 흐르는 현재의 전기와 구별하기 위해 사용됩니다.[1]

정전기는 두 표면이 접촉하거나 서로 미끄러진 후 분리될 때마다 발생할 수 있습니다.정전기의 영향은 대부분의 사람들에게 친숙합니다. 왜냐하면 전기 도체(예: 접지로 가는 경로) 또는 반대 극성의 과도한 전하를 가진 영역(양극성 또는 음극성)에 접근할 때 과도한 전하가 중화되면 스파크를 느끼고 듣고 심지어 볼 수 있기 때문입니다.정전기 충격의 익숙한 현상, 즉 정전기 방전은 전하의 중화로 인해 발생합니다.

원인들

물질은 동일한 수의 양전하(핵 안의 양성자)와 음전하(핵을 둘러싸고 있는 "껍질" 안의 전자)를 포함하기 때문에 보통 전기적으로 중성인 원자로 만들어집니다.정전기 현상은 양전하와 음전하의 분리를 요구합니다.두 물질이 접촉할 때, 전자는 한 물질에서 다른 물질로 이동할 수 있고, 이것은 한 물질에 과도한 양전하를 남기고, 다른 물질에는 동일한 음전하를 남깁니다.재료가 분리되면 이러한 전하 불균형이 유지됩니다.이온이 전달되는 것도 가능합니다.

접촉 유도 전하 분리

주요 기사:마찰전기효과
정전기로 인해 고양이 털에 달라붙은 스티로폼 땅콩.이러한 효과는 옷에 정적으로 달라붙는 원인이 되기도 합니다.

전자 또는 이온은 접촉 중인 물질 사이에서 또는 서로 미끄러질 때 교환될 수 있는데, 이것은 마찰 전기 효과로 알려져 있고 한 물질은 양전하가 되고 다른 물질은 음전하가 됩니다.마찰 전기 효과는 일상 생활에서 관찰되는 정전기의 주요 원인이며, 일반적인 고등학교 과학 시연에서는 서로 다른 물질을 서로 비비는 것을 포함합니다(예: 모피를 아크릴 막대에 문지르는 것).접촉에 의한 전하 분리는 머리카락을 세워서 "정적인 달라붙음"을 유발합니다(예를 들어, 머리카락에 문지른 풍선은 음전하가 됩니다; 벽 근처에 있을 때, 대전된 풍선은 벽 안의 양전하를 띤 입자에 끌리게 되고 중력에 대항하여 매달리게 됩니다).

압력유도 전하분리

주요 기사:압전효과, 플렉소전기 및 전기제한

가해진 기계적 응력은 많은 종류의 결정과 세라믹 분자에서 전하 분리를 발생시킵니다.

열유도 전하분리

주요 기사:초전 효과

가열은 특정 물질의 원자나 분자에 전하의 분리를 발생시킵니다.모든 열전도 물질은 압전 물질입니다.열과 압력 반응의 원자적 또는 분자적 특성은 밀접한 관련이 있습니다.

전하 유도 전하 분리

주요 기사:정전유도

전기적으로 중성인 전도성 물체에 가까이 접근한 하전 물체는 중성 물체 내에서 전하 분리를 야기합니다.이것을 정전기 유도라고 합니다.같은 극성의 전하들은 반발하여 외부 전하로부터 멀리 떨어진 물체의 측면으로 이동하고, 반대 극성의 전하들은 끌어당겨 전하와 마주한 측면으로 이동합니다.전하들의 상호작용에 의한 힘이 거리가 증가함에 따라 빠르게 감소하기 때문에, 가까운 전하들의 효과가 더 크며 두 물체는 인력을 느낍니다.물체의 일부를 조심스럽게 접지하면 전자가 영구적으로 추가되거나 제거되어 물체에 전체적이고 영구적인 전하가 남게 됩니다.

제거 및 예방

주요 기사:대전방지제 및 대전방지장치
정전기 방지 가방 안에 있는 네트워크 카드.
악어 클립이 달린 정전기 방지 손목 스트랩.

정전기를 제거하거나 축적되는 것을 방지하는 것은 창문을 열거나 가습기를 사용하는 것처럼 간단할 수 있습니다. 공기의 수분 함량을 증가시켜 대기를 전도성으로 만듭니다.공기 이오나이저도 같은 작업을 수행할 수 있습니다.[2]

정전기 방전에 특히 민감한 항목은 정전기 방지제를 사용하여 처리할 수 있으며, 이는 초과 전하가 고르게 분포되도록 하는 전도성 표면층을 추가합니다.정전기 방지제는 의류건조기, 세탁기 등에 사용되는 섬유유연제와 건조기 시트 등이 대표적입니다.[3]

전자제품에 사용되는 많은 반도체 장치들은 정전기 방전에 특히 민감합니다.전도성 정전기 방지 백은 일반적으로 이러한 구성 요소를 보호하는 데 사용됩니다.이러한 장치가 포함된 회로에서 작업하는 사람들은 전도성 정전기 방지 스트랩으로 접지하는 경우가 많습니다.[4][5]

페인트나 밀가루 공장과 같은 산업 현장은 물론 병원에서도 바닥과의 접촉으로 인한 정전하 축적을 방지하기 위해 정전기 방지용 안전화를 사용하기도 합니다.이 신발은 전도성이 좋은 밑창을 가지고 있습니다.정전기 방지 신발은 절연 신발과 혼동해서는 안 되며, 이는 정확히 반대의 이점을 제공합니다. 즉, 메인 전압에서 발생하는 심각한 전기 충격에 대한 보호 기능도 있습니다.[6]

의료용 케이블 어셈블리와 리드선 내에서는 이동 중에 케이블이 굴곡되면서 다양한 도체, 절연체 및 충전재가 서로 마찰할 때 무작위 마찰 소음이 발생합니다.케이블 내에서 발생하는 노이즈는 종종 핸들링 노이즈 또는 케이블 노이즈라고 불리지만, 이러한 유형의 원하지 않는 신호는 마찰 전기 노이즈로 더 정확하게 설명됩니다.로우 레벨 신호를 측정할 때 케이블이나 와이어의 노이즈가 문제가 될 수 있습니다.예를 들어, 심전도 또는 다른 의료 신호의 소음은 정확한 진단을 어렵게 하거나 심지어 불가능하게 만들 수도 있습니다.마찰 전기 소음을 허용 수준으로 유지하려면 케이블 재료가 제조될 때 신중한 재료 선택, 설계 및 가공이 필요합니다.[7]

정전기 방전

주요 기사:정전기 방전 및 코로나 방전

정전기와 관련된 스파크는 정전기 방전 또는 단순히 정전기 방전에 의해 발생합니다. 초과 전하가 주변에서 유입되는 전하 흐름에 의해 중화됩니다.

감전의 느낌은 전류가 인체를 통해 흐를 때 신경이 자극을 받아 발생합니다.정전기로 저장되는 물체의 에너지는 물체의 크기와 물체의 정전용량, 물체가 충전되는 전압, 주변 매질의 유전율 등에 따라 달라집니다.민감한 전자 장치에 대한 정전기 방전의 영향을 모델링하기 위해, 인간은 4,000~35,000 볼트의 전압으로 충전된 100 피코파드의 커패시터로 표현됩니다.물체를 만질 때 이 에너지는 1마이크로초 이내에 방출됩니다.[8]총 에너지는 작지만 밀리줄 정도로 민감한 전자 기기에 손상을 줄 수 있습니다.더 큰 물체는 더 많은 에너지를 저장하므로 사람의 접촉에 직접적으로 위험하거나 인화성 가스 또는 먼지에 불을 붙일 수 있는 스파크를 일으킬 수 있습니다.

번개

자연정전방전
약한 정전기로 인해 뇌우 후에 일어서는 작은 털
주요 기사:번개

번개는 정전기 방전의 극적인 자연적인 예입니다.세부적인 사항은 불분명하고 논쟁의 대상으로 남아 있지만, 초기 전하 분리는 폭풍 구름 내의 얼음 입자 사이의 접촉과 관련이 있는 것으로 생각됩니다.일반적으로 상당한 전하 축적은 낮은 전기 전도도(주변에서 자유롭게 이동할 수 있는 전하는 매우 적음) 영역에서만 지속될 수 있습니다. 따라서 중화 전하의 흐름은 종종 공기 중의 중성 원자와 분자가 분리되어 양극 및 음극 전하를 형성하고, 이는 반대로 심각한 상태로 이동합니다.전류로 작용하여 원래의 전하 축적을 중화합니다.공기 중의 정전하는 일반적으로 습도에 따라 센티미터 당 약 10,000 볼트(10 kV/cm)에서 이러한 방식으로 분해됩니다.[9]방전은 주변 공기를 과열시켜 밝은 섬광을 발생시키고, 충격파를 발생시켜 붐을 일으킵니다.번개는 국내에서 더 많은 정전기 방전 현상에서 볼 수 있는 불꽃을 단순히 확대한 것입니다.플래시는 방전 채널의 공기가 백열에 의해 빛을 방출할 정도로 높은 온도로 가열되기 때문에 발생합니다.천둥소리는 과열된 공기가 팽창하면서 발생하는 충격파의 결과입니다.

전자부품

전자제품에 사용되는 많은 반도체 장치는 정전기의 존재에 매우 민감하고 정전기 방전에 의해 손상될 수 있습니다.나노기기를 조작하는 연구자들에게는 정전기 방지용 스트랩의 사용이 의무화됩니다.고무 밑창이 두꺼운 신발을 벗고 금속 재질의 접지면을 영구히 유지하면 추가적인 예방 조치를 취할 수 있습니다.

흐르는 인화성 물질과 발화성 물질의 정적 축적

정전기는 항공기에 연료를 주입할 때 주요한 위험 요소입니다.

정전기 방전은 인화성 물질을 다루는 산업에서 심각한 위험을 초래할 수 있으며, 작은 전기 스파크가 폭발성 혼합물을 점화시킬 수 있습니다.[10]

파이프 내의 미세 분말 물질 또는 저전도성 유체의 유동성 움직임 또는 기계적 교반을 통해 정전기가 발생할 수 있습니다.[11]플라스틱 슈트 아래로 모래와 같은 물질의 과립 흐름은 전하를 전달할 수 있으며, 이는 슈트 안에 간격을 두고 연결된 금속 호일에 연결된 멀티미터를 사용하여 측정할 수 있으며, 입자 흐름에 대략 비례할 수 있습니다.[12]미세하게 가루가 된 물질의 먼지 구름은 가연성 또는 폭발성이 될 수 있습니다.먼지나 증기 구름에서 정전기 방전이 발생하면 폭발이 발생합니다.정전기 방전으로 발생한 주요 산업재해로는 프랑스 남서부 곡물 사일로 폭발, 태국 페인트 공장, 캐나다 섬유유리 성형공장, 2003년 오클라호마 글렌풀 저장탱크 폭발, 디모인, 아이오와, 밸리의 이동식 탱크 충전 작업 및 탱크 농장 등이 있습니다.2007년 캔자스의 아이 센터.[13][14][15]

유체가 정전하를 유지하는 능력은 전기 전도도에 따라 달라집니다.저전도성 유체가 파이프라인을 흐르거나 기계적으로 교반될 때, 유동 전기화라고 불리는 접촉 유도 전하 분리가 발생합니다.[16][17]전기 전도도가 낮은 유체(미터당 50피코시멘 미만)를 축전지라고 합니다.전도도가 50pS/m 이상인 유체를 비축적체라고 합니다.비축적기에서는 전하가 분리된 만큼 빠르게 재결합하므로 정전하 축적이 크지 않습니다.석유화학 산업에서 50 pS/m은 유체에서 전하를 적절하게 제거하기 위해 권장되는 전기 전도도의 최소값입니다.

등유는 1미터 당 1피코시멘 미만에서 20pS/m 범위의 전도도를 가질 수 있습니다.비교를 위해 탈이온수의 전도도는 약 10,000,000 pS/m 또는 10 µS/m입니다.

변압기 오일은 대형 변압기 및 기타 전기 장치의 전기 절연 시스템의 일부입니다.대형 장치를 다시 충전하려면 유체의 정전 충전에 대한 예방 조치가 필요하며, 이로 인해 민감한 변압기 절연이 손상될 수 있습니다.

유체의 절연을 위한 중요한 개념은 정적 이완 시간입니다.이는 RC 회로의 시정수 τ(tau)와 유사합니다.절연 재료의 경우, 정전기 유전 상수를 재료의 전기 전도도로 나눈 비율입니다.탄화수소 유체의 경우, 이는 숫자 18을 유체의 전기 전도도로 나누어 근사화하기도 합니다.따라서 전기 전도도가 1 pS/m인 유체의 이완 시간은 약 18초로 추정됩니다.유체의 과잉 전하는 이완 시간의 4~5배, 즉 위의 예에서 유체의 경우 90초 후에 거의 완전히 소멸됩니다.

전하 생성은 유체 속도가 높고 파이프 직경이 클수록 증가하며, 8인치(200mm) 이상의 파이프에서 상당히 중요합니다.이러한 시스템에서 정전하 발생은 유체 속도를 제한함으로써 가장 잘 제어됩니다.영국 표준 BS PD CLC/TR 50404:2003 (이전의 BS-5958-Part 2) 바람직하지 않은 정전기의 제어를 위한 실천 강령은 배관 유속 제한을 규정하고 있습니다.수분 함량이 유체 유전율에 미치는 영향이 크기 때문에 물이 포함된 탄화수소 유체의 권장 속도는 초당 1미터로 제한되어야 합니다.

접합 및 접지는 전하 축적을 방지할 수 있는 일반적인 방법입니다.전기 전도도가 10pS/m 미만인 유체의 경우 접합 및 접지가 전하 방출에 적합하지 않으며 정전기 방지 첨가제가 필요할 수 있습니다.[citation needed]

주유작업

파이프 안에서 휘발유와 같은 가연성 액체의 흐르는 움직임은 정전기를 일으킬 수 있습니다.휘발유, 톨루엔, 자일렌, 디젤, 등유 및 경질 원유와 같은 비극성 액체는 고속 유동 동안 전하 축적 및 전하 유지에 상당한 능력을 나타냅니다.정전기 방전은 연료 증기에 불을 붙일 수 있습니다.[19]정전기 방전 에너지가 충분히 높을 경우 연료 증기와 공기 혼합물을 점화시킬 수 있습니다.연료마다 인화성 한계가 다르며, 점화하기 위해서는 서로 다른 수준의 정전기 방전 에너지가 필요합니다.

주유소에서 휘발유를 주유하는 동안 정전기 방전은 현재의 위험 요소입니다.[20]항공기에 등유를 주입하는 과정에서 공항에서도 화재가 발생했습니다.새로운 접지 기술, 전도성 재료 사용 및 정전기 방지 첨가제의 추가는 정전기의 축적을 방지하거나 안전하게 소멸시키는 데 도움이 됩니다.

배관 내 가스의 유동성 움직임만으로 정전기가 거의 발생하지 않습니다.[21]전하 생성 메커니즘은 고체 입자 또는 액체 방울이 가스 스트림 내에 운반되는 경우에만 발생하는 것으로 예상됩니다.

우주탐사에서

외계 환경의 습도가 극도로 낮기 때문에 매우 큰 정전기 전하가 축적되어 우주 탐사 차량에 사용되는 복잡한 전자 장치에 큰 위험을 초래할 수 있습니다.정전기는 달과 화성으로 계획된 임무를 수행하는 우주비행사들에게 특히 위험한 것으로 여겨집니다.극도로 건조한 지형을 걸을 경우 상당한 양의 전하가 축적될 수 있습니다. 돌아올 때 에어락을 열기 위해 손을 뻗으면 정전기 방전이 발생하여 민감한 전자 장치가 손상될 수 있습니다.[22]

오존균열

천연고무 배관내 오존균열 현상

공기나 산소가 있는 상태에서 방전되면 오존이 생성될 수 있습니다.오존은 고무 부분을 분해시킬 수 있습니다.많은 엘라스토머들은 오존층 균열에 민감합니다.오존에 노출되면 개스킷 및 O-링과 같은 중요 부품에 깊은 침투 균열이 발생합니다.연료 라인 또한 예방 조치를 취하지 않는 한 문제에 취약합니다.예방 조치로는 고무 혼합물에 오존 방지제를 첨가하거나 오존 저항성 엘라스토머를 사용하는 것이 있습니다.특히 전기 장비로 오존을 생성할 수 있는 엔진룸에서 균열이 발생한 연료 라인에서 발생하는 화재는 차량에서 문제가 되고 있습니다.

관련 에너지

정전기 방전 시 방출되는 에너지는 광범위하게 변화할 수 있습니다.줄 단위의 에너지는 공식 E = ½CV에 의해 물체의 정전용량(C)과 정적 전위 V(V)로부터 계산할 수 있습니다.한 실험가는 인체의 전기용량을 최대 400피코파드로 추정하고, 충전된 자동차를 만질 때 방출되는 50,000 볼트의 전하로 500밀리줄의 에너지로 불꽃을 생성합니다.[24]또 다른 추정치는 100-300 pF와 20,000 볼트이며 최대 에너지는 60 mJ입니다.[25]IEC 479-2:1987은 5000mJ 이상의 에너지를 가진 방전은 인간 건강에 직접적으로 심각한 위험이 된다고 명시하고 있습니다.IEC 60065는 소비자 제품은 사람에게 350 mJ 이상을 배출할 수 없다고 명시하고 있습니다.

코로나 방전으로 인해 더 높은 전위에서 전하가 소멸되기 때문에 최대 전위는 약 35~40kV로 제한됩니다.3000볼트 미만의 전위는 일반적으로 사람이 감지할 수 없습니다.인체 범위에서 일반적으로 달성되는 최대 전위는 1~10kV이지만, 최적의 조건에서는 20~25kV까지 도달할 수 있습니다.상대 습도가 낮으면 충전량이 증가합니다. 상대 습도 15%의 비닐 바닥에서 20피트(6m)를 걸으면 최대 12kV의 전압이 축적되는 반면 습도 80%의 경우 전압이 1.5kV에 불과합니다.[26]

0.2 밀리줄 정도만 점화 위험을 초래할 수 있습니다. 이러한 낮은 스파크 에너지는 종종 인간의 시각 및 청각 인지 한계치 미만입니다.

일반적인 점화 에너지는 다음과 같습니다.

  • 수소의 경우 0.017 mJ,
  • 탄화수소 증기의 경우 0.2~2mJ,
  • 미세 가연성 분진의 경우 1–50 mJ,
  • 거친 가연성 먼지의 경우 40–1000 mJ.

대부분의 전자 장치를[specify] 손상시키는 데 필요한 에너지는 2 나노 줄에서 1,000 나노 줄 사이입니다.[27]

연료와 공기의 가연성 혼합물을 점화하려면 종종 0.2~2밀리줄 정도의 비교적 작은 에너지가 필요합니다.일반적인 산업용 탄화수소 가스 및 용매의 경우, 증기-공기 혼합물의 점화에 필요한 최소 점화 에너지는 폭발 하한과 폭발 상한 사이의 대략 중간의 증기 농도에 대해 가장 낮고, 농도가 이 최적에서 어느 쪽으로 벗어나면 급격히 증가합니다.인화성 액체의 에어로졸은 인화점보다 훨씬 아래에서 점화될 수 있습니다.일반적으로 입자 크기가 10 마이크로미터 미만인 액체 에어로졸은 증기처럼 작동하고, 40 마이크로미터 이상의 입자 크기는 인화성 먼지처럼 작동합니다.전형적인 최소 인화성 농도의 에어로졸은 15~50g/m3 사이에 있습니다.마찬가지로 가연성 액체 표면에 거품이 있으면 발화성이 크게 증가합니다.가연성 먼지의 에어로졸도 점화되어 먼지 폭발이 발생할 수 있습니다. 폭발 하한은 일반적으로 50~1000g/m입니다3. 미세 먼지는 더 폭발적이고 폭발하는 데 더 적은 스파크 에너지가 필요한 경향이 있습니다.인화성 증기와 인화성 분진이 동시에 발생하면 점화 에너지가 크게 감소할 수 있습니다. 단 1 vol에 불과합니다.% 공기중의 프로판은 먼지의 필요한 점화 에너지를 100배까지 감소시킬 수 있습니다.대기 중 산소 함량이 정상보다 높으면 점화 에너지도 크게 저하됩니다.[28]

방전에는 5가지 유형이 있습니다.

  • 정전기가 발생하는 산업용 화재와 폭발의 대부분을 담당하는 스파크.서로 다른 전위를 가진 물체 사이에 불꽃이 발생합니다.장비의 모든 부품에 대한 적절한 접지 및 장비 및 인력에 대한 전하 축적에 대한 예방 조치를 사용합니다.
  • 브러시 방전은 전도성이 없는 대전 표면 또는 고도로 대전된 비전도성 액체에서 발생합니다.에너지는 대략 4밀리줄 정도로 제한되어 있습니다.위험하려면 관련 전압이 약 20킬로볼트 이상이어야 하며, 표면 극성이 음이어야 하며, 방전 지점에 인화성 대기가 있어야 하며, 방전 에너지가 점화에 충분해야 합니다.또한 표면은 최대 전하 밀도를 갖기 때문에 최소 100 cm의2 면적이 수반되어야 합니다.이는 먼지 구름의 위험 요소로 간주되지 않습니다.
  • 브러시 방전을 전파하는 것은 에너지가 높고 위험합니다.최대 8mm 두께의 절연 표면(예: 접지된 금속 파이프 또는 반응기의 테프론 또는 유리 라이닝)이 대면적 콘덴서 역할을 하는 대향 표면 사이에 대규모 전하 축적을 겪을 때 발생합니다.
  • 부피가 큰 브러시 방전이라고도 불리는 원뿔 방전은 저항이 10옴10 이상인 대전된 분말 표면 또는 분말 질량을 통해 발생합니다.원뿔의 방출은 보통3 1 m 미만의 먼지 부피에서는 관찰되지 않습니다.관련된 에너지는 분말의 입자 크기와 전하 크기에 따라 달라지며 최대 20mJ까지 도달할 수 있습니다.먼지 부피가 클수록 높은 에너지를 생성합니다.
  • 코로나 방전, 위험하지 않은 것으로 간주됨.

참고 항목

참고문헌

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외부 링크

  • Wikimedia Commons의 정전기 관련 매체
  • Wiktionary에서 정전기의 사전적 정의