静電気

静電気は、物質の内部または表面上の電荷の不均衡です。電荷は、電流または放電によって除去されるまで残ります。「静電気」という言葉は、電荷が電気導体を流れる電流と区別するために使用されます。^[1]

2 つの表面が接触したり、互いに滑ったりして離れたりすると、常に静電気が発生します。静電気の影響は、ほとんどの人にとって馴染み深いものです。なぜなら、導電体(たとえば、接地経路) や反対極性 (正または負) の過剰な電荷がある領域に近づけると、過剰な電荷が中和され、火花を感じたり、聞いたり、さらには見たりできるからです。よく知られている静電気ショックの現象、より具体的には静電放電は 、電荷の中和によって発生します。

物質は、原子でできています。原子は、正電荷（原子核内の陽子）と負電荷（原子核を取り囲む「殻」内の電子）を同数含んでいるため、通常は電気的に中性です。静電気の現象には、正電荷と負電荷の分離が必要です。2 つの物質が接触すると、電子が一方の物質からもう一方の物質に移動し、一方の物質に過剰な正電荷が残り、もう一方の物質に等しい負電荷が残ります。物質が分離されると、この電荷の不均衡が維持されます。イオンが移動する可能性もあります。

電子またはイオンは、接触または互いに滑るときに物質間で交換されます。これは摩擦電気効果として知られ、一方の物質は正に帯電し、もう一方の物質は負に帯電します。摩擦電気効果は、日常生活や、異なる物質をこすり合わせる高校の理科の実験（毛皮とアクリル棒など）でよく見られる静電気の主な原因です。接触によって電荷が分離すると、髪の毛が逆立ち、「静電気によるまとわりつき」が発生します（たとえば、髪にこすりつけられた風船は負に帯電します。壁の近くにあると、帯電した風船は壁の正に帯電した粒子に引き寄せられ、重力に逆らって壁に「まとわりつく」ことがあります）。

加えられた機械的ストレスにより、多くの種類の結晶やセラミック分子 に電荷の分離が生じます。

加熱により、特定の物質の原子または分子に電荷の分離が生じます。すべての焦電性物質は圧電性も持ちます。熱と圧力の反応における原子または分子の特性は密接に関連しています。

帯電物体を電気的に中性の導電性物体に近づけると、中性物体内で電荷の分離が起こります。これを静電誘導といいます。同じ極性の電荷は反発し、外部電荷から離れた物体側に移動し、反対極性の電荷は引き付けられ、電荷に面した側に移動します。電荷の相互作用による力は距離が増すにつれて急速に弱まるため、より近い（反対極性）電荷の影響が大きくなり、2 つの物体は引力を感じます。物体の一部を注意深く接地すると、電子が永久に追加または除去され、物体全体に永久電荷が残ることがあります。

静電気の蓄積を除去または防止するには、窓を開けたり加湿器を使用したりして空気中の水分量を増やし、空気の導電性を高めるだけで十分です。空気イオン化装置も同様の働きをします。^[2]

静電気放電に特に敏感な物品には、帯電防止剤を塗布して表面の導電性層を追加し、余分な電荷が均等に分散されるようにする処理を施すことがあります。洗濯機や衣類乾燥機で使用される柔軟剤や乾燥機用シートは、静電気を防止および除去するために使用される帯電防止剤の例です。^[3]

電子機器に使用される多くの半導体デバイスは、特に静電気放電に敏感です。このようなコンポーネントを保護するために、導電性の帯電防止バッグが一般的に使用されています。これらのデバイスを含む回路で作業する人は、導電性の帯電防止ストラップで自分自身を接地することがよくあります。^{[4] [5]}

塗装工場や製粉工場などの工業施設や病院では、床との接触による静電気の蓄積を防ぐために、帯電防止安全靴が使用されることがあります。これらの靴の靴底は導電性に優れています。帯電防止靴は絶縁靴と混同しないでください。絶縁靴はまったく逆の効果、つまり主電源電圧による深刻な感電からある程度保護する効果があります。^[6]

医療用ケーブルアセンブリとリード線では、ケーブルが移動中に曲がると、さまざまな導体、絶縁体、充填材が互いに擦れ合い、ランダムな摩擦電気ノイズが発生します。ケーブル内で発生するノイズは、ハンドリングノイズまたはケーブルノイズと呼ばれることがよくありますが、このタイプの不要な信号は、より正確には摩擦電気ノイズと呼ばれます。低レベルの信号を測定する場合、ケーブルまたはワイヤのノイズが問題となる場合があります。たとえば、ECGまたはその他の医療信号のノイズにより、正確な診断が困難になったり、不可能になったりする場合があります。摩擦電気ノイズを許容レベルに保つには、ケーブル材料の製造時に材料の選択、設計、処理を慎重に行う必要があります。^[7]

静電気に伴う火花は、周囲からの電荷の流れまたは周囲への電荷の流れによって過剰な電荷が中和されるため、静電放電、または単に静電気放電によって発生します。

感電の感覚は、電流が人体を流れる際に神経が刺激されることで生じます。物体に静電気として蓄えられるエネルギーは、物体の大きさや静電容量、充電される電圧、周囲の媒体の誘電率によって異なります。静電放電が敏感な電子機器に与える影響をモデル化するために、人間は4,000～35,000ボルトの電圧が充電された100ピコファラッドのコンデンサとして表されます。物体に触れると、このエネルギーは1マイクロ秒未満で放電されます。^{[8]総エネルギーは}ミリジュールのオーダーで小さいですが、敏感な電子機器を損傷する可能性があります。物体が大きいほど蓄積されるエネルギーが多く、それが人との接触に直接危険を及ぼしたり、可燃性ガスや粉塵に引火する火花を散らしたりする可能性があります。

雷は静電気放電の劇的な自然現象の例である。詳細は不明で議論の余地があるが、初期の電荷分離は嵐雲内の氷粒子の接触に関連していると考えられている。一般に、著しい電荷の蓄積は電気伝導率の低い領域（周囲を自由に移動できる電荷が非常に少ない）でのみ持続するため、中和電荷の流れは空気中の中性原子と分子が引き裂かれて別々の正電荷と負電荷を形成し、それが電流として反対方向に移動して元の電荷の蓄積を中和することによって生じることが多い。空気中の静電気は、湿度に応じて約 10,000ボルト/センチメートル（10 kV/cm）でこのように分解される。 ^[9]放電により周囲の空気が過熱されて明るい閃光が発生し、衝撃波が発生して轟音がする。稲妻は、家庭内での静電気放電で見られる火花の拡大版にすぎない。閃光は、放電チャネル内の空気が非常に高温に加熱されて白熱光を発するため発生する。雷鳴は、過熱された空気が膨張するときに発生する衝撃波によって発生します。

電子機器に使用される半導体デバイスの多くは静電気の存在に非常に敏感で、静電気放電によって損傷を受ける可能性があります。ナノデバイスを操作する研究者は、静電気防止ストラップの使用が必須です。さらに予防策を講じるには、厚いゴム底の靴を脱ぎ、常に金属接地を行ってください。

静電気の放電は、小さな電気火花が爆発性混合物に引火する可能性があるため、可燃性物質を扱う産業では重大な危険を引き起こす可能性があります。^[10]

パイプ内や機械的撹拌による微粉末物質や低導電性流体の流動により、静電気が発生することがある。^[11] プラスチックシュートを流れる砂などの粒状物質の流れは電荷を移動させる可能性があり、これはシュートに間隔を置いて敷かれた金属箔に接続されたマルチメーターを使用して測定することができ、粒子の流れにほぼ比例する可能性がある。^[12] 微粉末物質の粉塵雲は可燃性または爆発性になる可能性がある。粉塵雲または蒸気雲で静電気放電が発生すると、爆発が発生することがある。静電気放電によって発生した主な産業事故には、フランス南西部の穀物サイロの爆発、タイの塗装工場、カナダのグラスファイバー成形品工場、2003年のオクラホマ州グレンプールでの貯蔵タンクの爆発、 2007年のアイオワ州デモインとカンザス州バレーセンターでのポータブルタンク充填作業とタンクファームがある。 ^{[13] [14] [15]}

流体が静電気を保持する能力は、その電気伝導率に依存します。低伝導率の流体がパイプラインを流れるか、機械的に撹拌されると、接触によって引き起こされる電荷​​分離（流動帯電）が発生します。^{[16] [17]} 電気伝導率の低い流体（50ピコジーメンス/メートル未満）は、アキュムレータと呼ばれます。50 pS/mを超える導電率を持つ流体は、非アキュムレータと呼ばれます。非アキュムレータでは、電荷は分離されるのと同じ速さで再結合するため、静電気の蓄積は重要ではありません。石油化学業界では、流体から電荷を適切に除去するために、50 pS/mが電気伝導率の推奨最小値です。

灯油の導電率は1ピコシーメンス/メートル未満から20pS/mの範囲です。比較すると、脱イオン水の導電率は約10,000,000pS/mまたは10μS/mです。^[18]

変圧器油は、大型電力変圧器やその他の電気機器の電気絶縁システムの一部です。大型機器に油を補充する場合は、油の静電気帯電に対する予防措置が必要です。静電気帯電により、敏感な変圧器の絶縁が損傷する可能性があります。

絶縁流体の重要な概念は、静的緩和時間です。これは、 RC 回路の時定数 τ (タウ) に似ています。絶縁材料の場合、これは静的誘電率を材料の電気伝導率で割った比です。炭化水素流体の場合、これは 18 を流体の電気伝導率で割ることで近似されることがあります。したがって、電気伝導率が 1 pS/m の流体の場合、緩和時間は約 18 秒と推定されます。流体内の過剰電荷は、緩和時間の 4 ～ 5 倍、つまり上記の例の流体の場合は 90 秒後にほぼ完全に消散します。

電荷の発生は、流体速度が速く、パイプの直径が大きいほど増加し、8 インチ (200 mm) 以上のパイプでは顕著になります。これらのシステムでの静電荷の発生は、流体速度を制限することで最も効果的に制御できます。英国規格 BS PD CLC/TR 50404:2003 (旧 BS-5958-Part 2) の望ましくない静電気の制御に関する実施規定では、パイプの流速制限を規定しています。水分含有量は流体の誘電率に大きな影響を与えるため、水分を含む炭化水素流体の推奨流速は 1 メートル/秒に制限する必要があります。

ボンディングとアースは、電荷の蓄積を防ぐための一般的な方法です。電気伝導率が 10 pS/m 未満の流体の場合、ボンディングとアースは電荷の消散に十分ではないため、帯電防止添加剤が必要になる場合があります。^{[引用が必要]}

ガソリンなどの可燃性液体がパイプ内を流れると、静電気が発生する可能性があります。ガソリン、トルエン、キシレン、ディーゼル、灯油、軽質原油などの非極性液体は、高速流中に電荷を蓄積および保持する能力が著しく高くなります。静電放電により燃料蒸気が発火する可能性があります。^[19] 静電放電エネルギーが十分に高い場合、燃料蒸気と空気の混合物が発火する可能性があります。燃料によって可燃限界が異なり、発火するために必要な静電放電エネルギーのレベルも異なります。

ガソリンスタンドでは、ガソリンを給油する際の静電気放電が現在危険となっている。^{[20]また、空港で}航空機に灯油を給油する際に火災が発生したこともある。新しい接地技術、導電性材料の使用、帯電防止添加剤の添加は、静電気の蓄積を防止または安全に消散させるのに役立つ。ガソリンスタンドで容器に燃料を補給する必要がある顧客は、火災や爆発の危険なしに蓄積された静電気を消散させるために、まず容器を地面に置くことを勧められる。

パイプ内のガスの流れだけでは、静電気はほとんど発生しません。^[21]電荷発生メカニズムは、固体粒子または液滴がガス流に運ばれる場合にのみ発生すると考えられています。

地球外環境では湿度が極めて低いため、非常に大きな静電気が発生し、宇宙探査機に使用されている複雑な電子機器に大きな危険をもたらす可能性があります。静電気は、月や火星への計画されたミッションに参加する宇宙飛行士にとって特に危険であると考えられています。極度に乾燥した地形を歩くと、かなりの量の電荷が蓄積される可能性があります。帰還時にエアロックを開けるために手を伸ばすと、大きな静電気放電が発生し、敏感な電子機器が損傷する可能性があります。^[22]

空気または酸素が存在する状態での静電気放電により、オゾンが発生する可能性があります。オゾンはゴム部品を劣化させる可能性があります。多くのエラストマーはオゾンによる亀裂に敏感です。オゾンにさらされると、ガスケットやO リングなどの重要な部品に深い貫通亀裂が生じます。予防措置を講じない限り、燃料ラインもこの問題の影響を受けます。予防措置には、ゴム混合物にオゾン防止剤を追加するか、オゾン耐性エラストマーを使用する方法があります。ひび割れた燃料ラインによる火災は、車両、特に電気機器によってオゾンが発生する可能性があるエンジン コンパートメントで問題となっています。

静電気放電で放出されるエネルギーは、広範囲に及ぶ可能性があります。ジュール単位のエネルギーは、物体の静電容量( C ) とボルト単位の静電電位V (V) から、式E  = ½ CV ²で計算できます。^[23]ある実験者は、人体の静電容量は最大 400 ピコファラッド、50,000 ボルトの電荷が、例えば帯電した車に触れたときに放電され、500 ミリジュールのエネルギーを持つ火花を発生させると推定しています。^[24]別の推定では、100～300 pF と 20,000 ボルトで、最大エネルギーは 60 mJ です。^[25] IEC 479-2:1987 では、5000 mJ を超えるエネルギーの放電は、人の健康に直接重大なリスクをもたらすと規定されています。IEC 60065では、消費者向け製品は人体に 350 mJ を超える放電をしてはならないと規定されています。

最大電位は、コロナ放電により高電位で電荷が消散するため、約 35～40 kV に制限されます。3000 ボルト未満の電位は、通常、人間には感知できません。人体で通常達成される最大電位は 1～10 kV ですが、最適な条件では 20～25 kV に達することもあります。相対湿度が低いと電荷の蓄積が増加します。相対湿度 15% のビニール床の上を 20 フィート (6 m) 歩くと、最大 12 kV の電圧が蓄積されますが、湿度 80% では電圧はわずか 1.5 kV です。^[26]

わずか 0.2 ミリジュールでも発火の危険が生じる可能性があります。このような低い火花エネルギーは、人間の視覚や聴覚の知覚閾値を下回ることがよくあります。

典型的な点火エネルギーは次のとおりです。

• 水素の場合0.017 mJ 、
• 炭化水素蒸気の場合0.2～2mJ 、
• 微細な可燃性粉塵の場合1～50mJ、
• 粗大可燃性粉塵の場合は40～1000mJ。

^{ほとんどの電子機器を損傷するのに必要}なエネルギーは2～1000ナノジュールです。^{[27 ]}

燃料と空気の可燃性混合物を着火させるには、比較的小さなエネルギー、多くの場合 0.2～2 ミリジュール程度しか必要としません。一般的な工業用炭化水素ガスおよび溶剤の場合、蒸気と空気の混合物の着火に必要な最小着火エネルギーは、蒸気濃度が爆発下限界と爆発上限界のほぼ中間にあるときに最も低くなり、濃度がこの最適値からどちらかの側にずれるにつれて急速に増加します。可燃性液体のエアロゾルは、引火点よりはるかに低い温度でも発火する可能性があります。一般に、粒子サイズが 10 マイクロメートル未満の液体エアロゾルは蒸気のように挙動し、粒子サイズが 40 マイクロメートルを超えると可燃性の粉塵のように挙動します。エアロゾルの一般的な最小可燃濃度は 15 ～ 50 g/m ³です。同様に、可燃性液体の表面に泡が存在すると、着火性が大幅に増加します。可燃性粉塵のエアロゾルも着火し、粉塵爆発を引き起こす可能性がある。爆発下限値は通常50～1000 g/m ³である。粉塵が細かいほど爆発性が高く、点火に必要な火花エネルギーも少なくなる傾向がある。可燃性蒸気と可燃性粉塵が同時に存在すると、着火エネルギーが大幅に低下する可能性がある。空気中にプロパンがわずか1 vol%含まれているだけで、粉塵の着火エネルギーを100倍も低減できる。大気中の酸素含有量が通常より高い場合も、着火エネルギーが大幅に低下する。^[28]

放電には5つの種類があります。

• 静電気による産業火災や爆発の大半は、火花が原因です。火花は電位の異なる物体間で発生します。機器のすべての部品を適切に接地し、機器や人員に電荷が蓄積しないように予防措置を講じることが、予防策として用いられます。
• ブラシ放電は、非導電性の帯電表面または高電荷の非導電性液体から発生します。エネルギーはおよそ 4 ミリジュールに制限されます。危険となるには、関連する電圧が約 20 キロボルト以上であること、表面の極性が負であること、放電点に可燃性雰囲気が存在すること、および放電エネルギーが発火に十分であることが必要です。さらに、表面は最大電荷密度を持つため、少なくとも 100 cm ²の面積が関与している必要があります。これは、粉塵雲の危険とは見なされません。
• ブラシ放電の伝播はエネルギーが高く、危険です。厚さ 8 mm までの絶縁表面 (接地された金属パイプまたはリアクターのテフロンまたはガラスライニングなど) の反対側の表面間に大量の電荷が蓄積され、大面積のコンデンサーとして機能した場合に発生します。
• コーン放電はバルキングブラシ放電とも呼ばれ、抵抗が 10 ¹⁰ オームを超える帯電粉末の表面上、または粉末の塊の深部で発生します。コーン放電は、通常、1 m ³未満の粉塵体積では観察されません。関与するエネルギーは、粉末の粒径と電荷の大きさによって決まり、最大 20 mJ に達することがあります。粉塵体積が大きいほど、より高いエネルギーが発生します。
• コロナ放電は無害であると考えられています。

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