Loading article…
静電気とは、物質の内部または表面における電荷の不均衡のことです。電荷は、電流として移動するか放電によって移動するまでそこに留まります。「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われます。[ 2 ]
2つの表面が接触したり、互いに滑り合ったりして離れるたびに、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、過剰な電荷が電気伝導体（例えば、接地への経路）や反対の極性（正または負）の過剰な電荷がある領域に近づくと、中和されて火花が発生するのを感じたり、聞いたり、見たりすることができるからです。静電気ショック、より正確には静電放電というおなじみの現象は、電荷の中和によって引き起こされます。
物質は原子からできており、原子は通常、正電荷（原子核内の陽子）と負電荷（原子核を取り囲む「電子殻」内の電子）が同数含まれているため、電気的に中性です。静電気現象は、正電荷と負電荷の分離によって生じます。2つの物質が接触すると、電子が一方の物質から他方の物質へ移動し、一方の物質に過剰な正電荷が、他方の物質に同量の負電荷が生じます。物質が分離されても、この電荷の不均衡は維持されます。また、イオンが移動することもあります。
電子やイオンは、物質が接触したり、互いに滑り合ったりすると、物質間で交換されることがあり、これは摩擦帯電効果として知られており、一方の物質が正に帯電し、もう一方の物質が負に帯電します。摩擦帯電効果は、日常生活で観察される静電気の主な原因であり、さまざまな物質をこすり合わせる（たとえば、毛皮をアクリル棒にこすりつける）一般的な高校の理科の実験でも見られます。接触によって電荷が分離すると、髪の毛が逆立ったり、「静電気による付着」が起こったりします（たとえば、風船を髪の毛にこすりつけると、風船は負に帯電します。壁の近くにある場合、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「付着」することができます）。[ 3 ]
加えられた機械的応力は電気分極を生じさせ、その結果、多くの種類の材料で電荷の分離が生じる可能性がある。材料表面の自由キャリアは、歪みによって誘起される分極を補償する。[ 4 ] [ 5 ]
加熱によって電気分極が生じ、それが特定の材料における電荷の分離につながる可能性がある。すべての焦電材料は圧電性も持ち、反転対称性を持たない。[ 6 ]
帯電した物体を電気的に中性の導電性物体に近づけると、中性物体内部で電荷の分離が生じます。これを静電誘導といいます。同極性の電荷は反発し合い、外部電荷から遠ざかる側に移動し、反対極性の電荷は引き寄せられ、電荷に面する側に移動します。電荷の相互作用による力は距離が離れるにつれて急速に減少するため、近い（反対極性の）電荷の影響が大きくなり、2つの物体間に引力が働きます。物体の一部を注意深く接地することで、電子を永久的に追加または除去することができ、物体全体に永久的な電荷が残ることがあります。
静電気の蓄積を取り除いたり防いだりするには、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済む場合もあります。空気イオン化装置も同様の効果を発揮します。[ 7 ]
静電気放電に特に敏感な物品は、帯電防止剤を塗布することで処理できます。帯電防止剤は導電性の表面層を形成し、余分な電荷が均一に分散されるようにします。洗濯機や衣類乾燥機で使用される柔軟剤や乾燥シートは、静電気による付着を防ぎ、除去するために使用される帯電防止剤の一例です。[ 8 ]
電子機器に使用される多くの半導体デバイスは、静電気放電に特に敏感です。このような部品を保護するために、導電性帯電防止袋が一般的に使用されます。これらのデバイスを含む回路を扱う人は、導電性帯電防止ストラップで自身を接地することがよくあります。[ 9 ] [ 10 ]
塗料工場や製粉工場などの工業現場や病院では、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。これらの靴は導電性の高いソールを備えています。帯電防止靴は、全く逆の利点、つまり主電源電圧による深刻な感電からある程度の保護を提供する絶縁靴と混同してはいけません。[ 11 ]
医療用ケーブルアセンブリやリード線では、ケーブルが動きながら屈曲する際に、さまざまな導体、絶縁体、充填材が互いに擦れ合うことで、ランダムな摩擦帯電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やケーブルノイズと呼ばれることが多いですが、この種の不要な信号は、より正確には摩擦帯電ノイズと呼ばれます。低レベルの信号を測定する場合、ケーブルやワイヤのノイズが問題となることがあります。たとえば、ECGやその他の医療信号のノイズによって、正確な診断が困難になったり、不可能になったりすることがあります。摩擦帯電ノイズを許容レベルに抑えるには、ケーブル材料の製造時に、材料の選択、設計、加工を慎重に行う必要があります。[ 12 ]
静電気に伴う火花は、静電放電、あるいは単に静電気放電と呼ばれる現象によって発生します。これは、過剰な電荷が周囲との間で電荷の流れによって中和されることによって起こります。
電気ショックの感覚は、電流が人体を流れる際に神経が刺激されることによって引き起こされます。物体に静電気として蓄積されるエネルギーは、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。敏感な電子機器に対する静電気放電の影響をモデル化するために、人間は4,000 ～ 35,000 ボルトの電圧に充電された 100ピコファラ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。[ 13 ]総エネルギーはミリジュールオーダーと小さいですが、敏感な電子機器を損傷する可能性があります。大きな物体はより多くのエネルギーを蓄積し、それが直接人体に接触すると危険であったり、可燃性ガスや粉塵に引火する火花を発生させ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例です。詳細は不明で議論の的となっていますが、最初の電荷分離は、嵐雲内の氷粒子間の接触に関連していると考えられています。一般的に、大きな電荷の蓄積は、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領域）でのみ持続できるため、中和電荷の流れは、空気中の電気的に中性の原子や分子が引き裂かれて別々の正電荷と負電荷を形成し、それら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よくあります。空気中の静電荷は、湿度に応じて、通常、1センチメートルあたり約 10,000ボルト(10 kV/cm)でこのように破壊されます。 [ 14 ]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します。雷は、家庭で発生する静電気放電で見られる火花を拡大したものです。雷鳴は、過熱された空気が膨張する際に発生する衝撃波の結果である。
電子機器に使用される多くの半導体デバイスは静電気に非常に敏感で、静電気放電によって損傷を受ける可能性があります。ナノデバイスを扱う研究者にとって、帯電防止ストラップの使用は必須です。さらに、厚底のゴム靴を脱ぎ、常に金属製の床に立つことで、より一層の予防策を講じることができます。
静電気の放電は、可燃性物質を扱う産業において深刻な危険を引き起こす可能性があり、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。[ 15 ]
パイプ内や機械的な攪拌による微粉末状物質や低導電率流体の流れは静電気を蓄積する可能性がある。[ 16 ] プラスチック製のシュートを砂などの顆粒状物質が流れると電荷が移動し、これは一定間隔でシュートの内側に張ら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でき、粒子流量にほぼ比例する可能性がある。[ 17 ] 微粉末状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。粉塵雲や蒸気雲で静電気放電が発生すると、爆発が起こる。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、タイの塗料工場、カナダのグラスファイバー成形工場、2003年にオクラホマ州グレンプールで発生した貯蔵タンクの爆発、 2007年にアイオワ州デモインとカンザス州バレーセンターで発生した可搬式タンク充填作業とタンクファームなどがあります。 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
流体が静電荷を保持する能力は、その電気伝導率に依存します。伝導率の低い流体がパイプラインを流れたり、機械的に攪拌されたりすると、接触によって電荷が分離され、流れの帯電と呼ばれる現象が発生します。[ 21 ] [ 22 ] 電気伝導率が低い流体（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。伝導率が50 pS/mを超える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、静電荷の蓄積は重要ではありません。石油化学産業 では、流体から電荷を適切に除去するために推奨される電気伝導率の最小値は50 pS/mです。
灯油の導電率は1メートルあたり1ピコジーメンス未満から20 pS/mまでの範囲である。比較のために、脱イオン水の導電率は約10,000,000 pS/mまたは10 μS/mである。[ 23 ]
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。大型機器への油の補充には、油の静電気帯電による繊細な変圧器絶縁体の損傷を防ぐための対策が必要です。
絶縁流体にとって重要な概念の一つに、静的緩和時間があります。これはRC回路の時定数τ（タウ）に相当します。絶縁材料の場合、静的緩和時間は、材料の静的誘電率を電気伝導率で割った値です。炭化水素流体の場合、この値は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。流体中の過剰電荷は、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。
静電気の発生は、流速が高く、管径が大きいほど増加し、8 インチ（200 mm）以上の管では非常に顕著になります。このようなシステムにおける静電気の発生は、流速を制限することで最も効果的に抑制できます。英国規格BS PD CLC/TR 50404:2003（旧BS-5958-Part 2）「望ましくない静電気の制御に関する実施基準」では、管内流速の制限が規定されています。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接続は、電荷の蓄積を防ぐ一般的な方法です。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接続だけでは電荷の放散が不十分であり、帯電防止剤が必要となる場合があります。
ガソリンなどの可燃性液体がパイプ内を流れると、静電気が発生することがあります。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、高速流動中に電荷を蓄積し、電荷を保持する能力が著しく高いです。静電放電によって燃料蒸気に引火することがあります。[ 24 ]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に引火することがあります。燃料によって可燃限界 が異なり、引火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、ガソリン給油中の静電気放電が常に危険となっています。[ 25 ]また、空港では、航空機に灯油を給油中に火災が発生した事例もあります。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したり、安全に消散させるのに役立ちます。ガソリンスタンドで容器に給油する必要があるお客様は、静電気の蓄積が火災や爆発の危険なく消散するように、まず容器を地面に置くことをお勧めします。
パイプ内のガスの流れだけでは、静電気はほとんど、あるいは全く発生しない。[ 26 ]固体粒子や液滴がガス流中に含まれる場合にのみ、電荷発生メカニズムが発生すると考えられている。
地球外環境では湿度が極めて低いため、非常に大きな静電荷が蓄積し、宇宙探査機で使用される複雑な電子機器にとって大きな危険となる。静電気は、月や火星への計画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る。極めて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る。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、繊細な電子機器が損傷する可能性がある。[ 27 ]
空気や酸素が存在する状況下での静電気放電はオゾンを生成し、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ひび割れに敏感です。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浸透性のひび割れが生じます。燃料ラインも、予防措置を講じなければこの問題の影響を受けやすいです。予防措置としては、ゴム混合物にオゾン防止剤を添加するか、オゾン耐性エラストマーを使用することが挙げられます。燃料ラインのひび割れによる火災は、特に電気機器によってオゾンが発生する可能性のあるエンジンルームにおいて、車両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る。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から、式E = ½ CV 2で計算できる。[ 28 ]ある実験者は、人間の体の静電容量を 400ピコファラドと推定し、例えば帯電した車に触れたときに放電される 50,000 ボルトの電圧は、500ミリジュールのエネルギーを持つ火花を発生させる。 [ 29 ]別の推定では、100～300 pF と 20,000ボルトで、最大 60 mJ のエネルギーが発生する。[ 30 ] IEC 479 -2:1987 では、5000 mJ を超えるエネルギーの放電は、人間の健康に直接的な重大なリスクをもたらすと規定している。IEC 60065では、消費者向け製品は人体に対して350ミリジュールを超えるエネルギーを放出してはならないと規定されている。
コロナ放電によって高電位で電荷が散逸する ため、最大電位は約 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。人体に一般的に到達する最大電位は 1～10 kV の範囲ですが、最適な条件下では 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% のビニール床を 20フィート (6 m) 歩くと、電圧が最大 12 kV まで蓄積されますが、湿度 80% では電圧はわずか 1.5 kV です。[ 31 ]
わずか0.2 ミリジュールという微弱なエネルギーでも発火の危険性があり、このような低い火花エネルギーは、多くの場合、人間の視覚や聴覚の知覚閾値を下回る。
典型的な着火エネルギーは以下のとおりです。
ほとんどの電子機器を損傷させるのに必要なエネルギーは2～1000ナノジュールである。[ 32 ]
可燃性燃料と空気の混合物を着火させるには、0.2～2ミリジュール程度の比較的少ないエネルギーで十分です。一般的な工業用炭化水素ガスや溶剤の場合、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と爆発上限の中間付近にあるときに最も低く、この最適値からどちらか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、引火点よりかなり低い濃度でも着火する可能性があります。一般的に、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振る舞い、粒子サイズが40 マイクロメートルを超えると可燃性粉塵のように振る舞います。エアロゾルの典型的な最小可燃濃度は15～50 g/m³です。同様に、可燃性液体の表面に泡が存在すると、着火性が大幅に向上します。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ります。爆発下限は通常 50 ～ 1000 g/m 3の間です。より細かい粉塵は爆発性が高く、着火に必要な火花エネルギーが少なくて済みます。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ります。空気中のプロパンがわずか 1 vol.% であっても、粉塵の着火に必要なエネルギーを 100 分の 1 にまで低下させることができます。大気中の酸素濃度が通常より高い場合も、着火エネルギーが大幅に低下します。[ 33 ]
電気放電には5つの種類があります。
{{cite AV media}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
ウィキメディア・コモンズにある静電気に関するメディア
Wiktionaryにおける静電気の辞書定義