Statik elektrik

Statik elektrik, bir maddenin içerisindeki ya da yüzeyindeki elektrik yüklerinin oransızlığı olarak tanımlanmaktadır. Yük, elektrik akımı ya da elektriksel deşarj tarafından uzağa hareket etmeye başlayacağı zamana kadar aynen kalır. Statik elektrik, elektrik telleri ya da diğer iletkenler boyunca akan ve enerji aktaran elektrik akımının tam aksi olarak adlandırılmaktadır.

Statik elektrik yükü, iki yüzey birbirine temas edip ayrıldığında oluşur ve en az bir yüzey elektrik akımına karşı yüksek direnç gösterir (ve bu sebepten dolayı elektriksel bir yalıtkandır). Statik elektriğin etkileri birçok insana tanıdık gelmektedir. Çünkü, insanlar kıvılcımı, aşırı yük, büyük bir elektriksel iletkenin (ör: yere giden bir yol) veya zıt polaritede aşırı yüklü bir bölgenin (pozitif veya negatif) yanına yaklaştırıldığında nötralize olduğundan hissedebilir, duyabilir ve hatta görebilir. Statik şokun en çok bilinen olgusu, daha spesifik olarak bir elektrostatik deşarj, yükün nötralizasyonu nedeniyle oluşmaktadır.

Maddeler, elektriksel olarak nötr olan atomlardan meydana gelmektedir. Çünkü, atomlar içerisinde bulunan pozitif yüklerin (çekirdeğinde bulunan protonlar) sayısı ile negatif yüklerin (çekirdeğin etrafındaki kabuklarda bulunan elektronlar) sayısı birbirine eşittir. Statik elektrik olgular, pozitif ve negatif yüklerin ayrımına gereksinim duymaktadır. İki madde birbirleri ile temasa geçtiği zaman, elektronlar bir maddeden diğer maddeye geçebilir ve böylece bir madde üzerinde aşırı miktarda pozitif yük, diğeri üzerinde ise buna eşit miktarda bir negatif yük bırakır. Maddeler ayrıldıkları zaman ise, yükleri oransız bir şekilde tutarlar.

Elektronlar, maddeler birbirine değdiğinde yer değiştirebilir. Zayıf bağlı elektron içeren maddeler, elektron kaybetme eğilimdeyken, bunun tersi olarak, kabuğu tek tük sayıda dolu olan maddeler ise, elektron alma eğilimindedir. Bu durum triboelektrik etki olarak bilinmektedir ve bu durum bir maddenin pozitif diğerinin ise negatif yüklenmesi ile sonuçlanmaktadır. Cisimler ayrılığı zaman, birinin üzerinde kalan yükün polaritesi ve gücü, onların triboelektrik serilerdeki alakalı konumlarına bağlıdır. Triboelektrik etkiler, günlük hayatta ve iki tane farklı cismi birbirine sürtmeyi içeren tipik lise bilimi uygulamalarında sık sık gözlemlediğimiz statik elektriğin temel sebebidir. Dokunma uyarımlı yük ayrıştırması saçlarımızın havaya kalkmasına ve statik yapışmaya (örneğin, saça sürtünmüş bir balon, negatif yüklenir ve duvara yakınlaştığı zaman, duvarda bulunan pozitif yükler ile birbirine bağlanır ve balon duvara yapışarak, yerçekimine karşı asılı duruyor gibi gözükür) neden olur.

Isı, belli maddelerin atomlarında ve moleküllerinde bulunan yüklerin ayrımını oluşturur. Bütün pyro-elektrik maddeler ayrıca piezoelektriktir. Isının atomik ve moleküler özellikleri ve basınç yakından ilişkilidir.

Yüklü bir cisim, elektriksel olarak yüksüz (nötr) bir cismin yanına getirildiğinde, bu durum yük ayrımına neden olur. Aynı polaritedeki yükler itilir ve ayrı polaritedeki yükler ise çekilir. Elektrik yükleri nedeni ile oluşan kuvvet, artan mesafe ile süratle düşer, birbirine yakın (zıt polaritedeki) yüklerin etkisi aha büyüktür ve bu iki madde bir etkileşim kuvveti hisseder. En çok, nötr cisim, yükleri hareket etmek için daha çok serbest olan bir elektrik iletkeni olduğu zaman, bu etkiden söz edilmektedir. Dikkatli bir biçimde, cismin bir kısmı topraklandığında, yük uyarımlı yük ayrıştırma ile kalıcı olarak cisim yük elde edebilir ya da yük kaybedebilir. Bu süreç, statik elektrik etkilerini gösteren cihaz olan Van de Graaff jeneratörü işleyişinin ayrılmaz bir parçasıdır.

Elektrikle yüklü bir cisim yüksüz bir cisme dokundurulduğu zaman, o cismi kendi cinsinden elektrik yükler. Örneğin, nötr bir cisme (+) yüklü bir cisim dokundurulursa son yük durumunda her ikisi de (+) yüklenir. Yük miktarları eşitse son durumda her ikisi de nötr olur. Eğer (-) miktarı fazlaysa son durumda her ikisi de (-), (+) miktarı fazlaysa son durumda her ikisi de (+) yüklü olur.

Bu kısımda sürtünen cisimler arasında elektron geçişi olur ve elektron kaybeden (+), kazanan (-) yükle yüklenir. Örneğin, yün kumaş ile ebonit (plastik) çubuk birbirine sürtüldüğünde yün kumaş pozitif, ebonit çubuk negatif yükle yüklenir. Aynı şekilde, ipek kumaş ile cam çubuk birbirine sürtüldüğünde ipek kumaş negatif, cam çubuk pozitif yükle yüklenir. Bunun nedeni ipek kumaş ile ebonit çubuğun elektron almaya, yün kumaş ile cam çubuğun elektron vermeye yatkın olmasıdır. Ayrıca, kazağımızı çıkartırken saçımız ile kazağımız arasında sürtünme gerçekleşir ve saçlarımız havaya kalkar.

Plastik bir çubuğa kâğıt parçaları yaklaştırıldığında kâğıtları çekmediği görülüyor öyleyse çubuk yüksüzdür. Sonra yünlü kumaşa sürtülen bir plastik tarak çubuğa dokunmadan yaklaştırıldığında, çubuğun kâğıt parçalarını çektiği gözleniyor.

Taraktaki (-) yükler çubuktaki (-) yükleri iterek çubuğun bir ucunun (+)diğer ucunun (-) yüklenmesine neden olur. Bu çeşit elektriklenmeye Etki ile elektriklenme denir.

Statik yük birikmesinin engellenmesi ya da kaldırılması, pencereyi açmak, rutubetlendiriciyi kullanarak havanın karışım içeriğini yükseltmek ve atmosferi daha iletken yapmak kadar basit olabilir. Hava iyonlaştırıcıları ile de aynı durum gerçekleştirilebilir. Statik deşarja karşı duyarlı ögeler, aşırı miktarda yükün eşit bir vaziyette dağıtılmasını sağlayan iletken bir yüzey katmanı ekleyen antistatik madde uygulaması ile tedavi edilebilir. Çamaşır makinelerinde ve çamaşır kurutma makinalarında kullanılan kumaş yumuşatıcıları, statik yapışmayı kaldırmak ve önlemek için kullanılan antistatik maddeye örnek gösterilebilir.

Elektronikte kullanılan birçok yarı iletken cihazlar özellikle statik deşarja karşı duyarlıdır. İletken antistatik torbalar genellikle bu gibi bileşenleri korumak için kullanılır. Bu gibi cihazları içeren çevrede çalışan insanlar antistatik kayış ile kendilerini topraklarlar.

Boya veya un fabrikalarının yanı sıra hastanelerde de olduğu gibi endüstriyel ortamlarda, bazen zemin ile temas nedeniyle ortaya çıkan yük birikimini önlemek amacıyla antistatik güvenlikler botları kullanılmaktadır. Bu ayakkabılar, iyi iletken tabanlara sahiptir. Antistatik ayakkabılar, sağladığı yararın tam tersini sağlayan, şebeke geriliminden gelen elektrik gerilimine karşı koruyan yalıtkan olan ayakkabılar ile karıştırılmamalıdır.

Kıvılcım, statik elektrik ile ilişkilidir ve fazla yükü, çevreden ya da çevreye olan yüklerin akışı tarafından nötralize ettiği bilinen elektrostatik deşarj, ya da basitçe statik deşarj tarafından oluşturulur.

Elektrostatik şoku hissi, insan bedeni boyunca akan akımın nötrlenmesi olan sinirlerin uyarılması nedeniyle oluşmaktadır. Cisim üzerindeki statik elektrik olarak depolanan enerji, cismin boyutlarına, kapasitansına, şarj edildiği voltaja ve çevredeki ortamın dielektrik sabitine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Hassas elektronik cihazlarda statik boşalma etkisini modellemek için, bir insan oluşumu, 4000 voltu 35000 volta şarj eden bir voltaj olan 100 picofaradlık bir kapasitör olarak temsil edilir. Bir cisme dokunulduğu zaman, bu enerji, bir mikro-saniyeden daha kısa zaman içerisinde boşalır. Toplam enerji küçük olsa da, yine de hassas elektronik cihazlara zarar verebilir. Büyük cisimler, daha çok enerji depolayacaktır. Ancak, bu, insan ile temas ettiğinde çok tehlikeli olabilir ya da yanıcı gaz/toz ile tutuşup kıvılcım açığa çıkartabilir.

Yıldırım, statik şarjın doğal bir örneğidir. Yıldırımın ayrıntıları belirsiz olup tartışma konusu olmaya devam etmektedir. İlk şarj ayrımının, fırtına bulutlarının içerisindeki buz parçacıkları ile teması ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Genel olarak, önemli yük birikimleri, sadece elektriksel iletkenliği düşük olan bölgelerde devam edebilir (çok az miktarda yük çevre içerisinde hareket etmek için serbest durumdadır.) Sonuç olarak, nötralize olmuş yüklerin akımı, havada bulunan nötr atomlar ve moleküllerin, orijinal yük birikimini nötralize etmek amacıyla zıt yönlerde hareket eden bir elektrik akımı olarak bilinen pozitif ve negatif yüklerin oluşumu için paramparça hale gelmesinden kaynaklanır. Havadaki tipik statik yük parçalanımı da bu yolla olur ve bu olay havadaki neme bağlı olarak santimetrede (10kV/cm) 10,000 volt civarında gerçekleşir. Çevredeki havada gerçekleşen süper ısı deşarjı parlak flaşa neden olur ve klik sesine neden olan bir şok dalgası üretir. Yıldırım, statik boşalmanın daha fazla yerli oluşumunda görülen kıvılcımların büyütülmüş versiyonudur. Flaş oluşur, çünkü deşarj kanalındaki hava, akkor tarafından ışığı emen yüksek sıcaklık ile ısıtılmıştır.

Elektrikte kullanılan birçok yarı iletken cihaz, statik elektriğin varlığına karşı oldukça uyarlıdır, statik deşarj tarafından zarar görebilir. Antistatik kayış kullanımı, nano-cihazları manipüle etmek için kullanan araştırmacılar için önemlidir. Ek olarak, kalın kauçuk tabanlı ayakkabılar giyilerek ve kalıcı olarak metal zemin üzerinde durularak önlem alınabilir.

İnce toz haline getirilmiş akan maddeler, borularda bulunan düşük iletkenliğe sahip sıvılar ya da mekanik çalkalanma statik elektrik birikimine neden olabilmektedir. İncecik toz halindeki toz bulutları, yanıcı veya patlayıcı olabilir. Bir toz ya da buhar bulutu içerisinde statik deşarj olduğu zaman, patlamalar gerçekleşir. Meydana gelen büyük kazalar şunlardır: güneybatı Fransa’da bir silo, Tayland’da bir boya fabrikası, Kanada’da fiberglas yapan bir fabrika, 2003 yılında Oklahoma, Glenpool’da bir depolama tankı patlaması, Des Moines’de bir portatif tank dolum işlemi bir tank çiftliği patlaması.

Bir sıvının elektrostatik yükü koruma yeteneği, onun elektriksel iletkenliğine bağlıdır. İletkenliği az olan sıvılar boru hatlarından geçtiği zaman ya da mekanik biçimde çalkalandığı zaman, akış elektrifikasyonu denilen temas kaynaklım bir yük ayrımı gerçekleşir. Elektriksel iletkenliği düşük sıvılar (metre başına 50 pocosiemens’in altında) akümülatörler olarak isimlendirilmektedir. Elektriksel iletkenliği 50 pS/m değerinin üzerinde olan sıvılar ise non-akümülatör olarak adlandırılır. Non-akümülatörlerde, yükler ayrı oldukları durumdaki kadar hızlı bir şekilde yeniden birleşirler. Sonuç olarak, elektrostatik yük birikmesi çok önemli değildir. Petrokimya endüstrisinde, bir sıvıdan yük ayırmak için gereken minimum elektrik iletkenliği değeri 50 pS/m’dir.

Kerosenler metre başına az 1 picosiemens ila 20 pS/m arasında değişen bir iletkenliğe sahip olabilir. Karşılaşma yapmak için, deiyonize suyun iletkenliği 10,000,000 pS/m ya da 10 µS/m’dir. Transformatör yağı, büyük güç transformatörlerinin elektrik yalıtım sisteminin ve diğer elektrikli cihazların bir parçasıdır. Büyük cihazların yeniden doldurulmasında, transformatör yalıtımına zarar verebilen sıvıların elektrostatik yüklemesine karşı önem alınması gereklidir.

Statik gevşeme zamanı, sıvıların yalıtımı için önemli bir kavramdır. Bu kavram, bir RC devresi içerisindeki sabit olan τ (tau)’ye benzer. Maddelerin yalıtımı için, bu değer, statik dielektrik sabitinin, maddenin elektriksel iletkenliğine oranına eşittir. Hidrokarbon sıvılar için, bu oran yaklaşık olarak 18 sayısının, sıvının elektriksel iletkenliğine oranıdır. Sonuç olarak, elektriksel iletkenliği 1pS/m olan bir sıvının, gevşeme süresi yaklaşık olarak 18 saniye olarak tahmin edilmektedir. Bir sıvıdaki aşırı yükün tamamen dağılması, gevşeme süresinin 4-5 katını ya da üstteki örneğe göre 90 saniye alır. Yüksek sıvı hızlarında ve 8 inch (200 mm)’den ve daha büyük çaplı borularda, yük üretimi artmaktadır. Bu sistemlerde statik yük üretimi, en iyi şekilde, sıvı hızının sınırlandırılması ile kontrol edilir. İngiltere standardı BS PD CLC/TR 50404:2003 (eski BS PD CLC/TR 50404:2003), borudaki sıvı akış hızına nizam koymuştur. Su içeren hidrokarbon sıvılar için önerilen hız saniyede 1 metre ile sınırlı olmalıdır. Çünkü suyun içeriğinin, sıvıların dielektrik sabiti üzerinde büyük bir etkisi vardır.

Topraklama ve yapıştırma, yük birikmesini engellemenin klasik yollarıdır. Elektriksel iletkenliği 10 pS/m’nin altında olan sıvılarda, yapıştırma ve topraklama, yük dağıtımı için yeterli değildir ve, antistatik katkı maddeleri gerekli olabilir.

Bir boru içerisinde akan benzin gibi yanıcı sıvıların hareketi statik elektrik birikmesine neden olabilir. Örnek olarak, yük hızlı akımda, benzin, tolüen, ksilen, mazot, kerosen ve hafif ham yağlar gibi polar olmayan sıvılar yük biriktirme ve yük tutma yeteneklerini sergilerler. Elektrostatik deşarj, yakıt buharını tutuşturabilmektedir. Elektrostatik enerjisi yeteri kadar yüksek olduğu zaman yakıt buharını ve hava karışımını tutuşturabilir. Farklı yakıtların, farklı yanıcılık sınırı vardır ve tutuşabilmeleri için farklı seviyelerde elektrostatik deşarja ihtiyaç duyarlar. Gaz istasyonlarında, benzin yakıtı alınırken elektrostatik deşarj mevcut bir tehlikedir. Gaz yağı ile, hava alanlarında yakıt ikmali yapılırken de yangın çıkabilir. Yeni topraklama teknikleriyle, iletken madde kullanımı ve anti-statik katkı maddelerinin eklenmesi, statik elektrik birikimini güvenli bir biçimde dağıtmayı ya da engellemeyi sağlamaktadır.

Borularda akan gazların hareketi, tek başına küçük miktarda statik elektrik oluşturur. Sadece, katı parçacıklar ya da sıvı damlacıklar gaz akımı içerisinde taşındığı zaman, yük üretim mekanizması öngörülmektedir.

Dünya dışı ortamlardaki aşırı düşük nem nedeni ile, çok büyük miktarda statik yük birikebilir. Bu statik yük birikimi, kompleks elektroniğe sahip, uzay araştırmalarında kullanılan cihazlar için büyük bir tehlike oluşturmaktadır. Statik elektriğin, Ay ve Mars’ta planları olan astronotlar için özel bir tehlike oluşturduğu düşünülmektedir. Son derece kuru bir zemin üzerinde yürümeleri, büyük miktarda yük birikimine neden olabilir. Dönüşlerde, hava kilidini açmaya uzanmaları, büyük bir statik deşarja neden olabilir ve bu muhtemelen hassas elektronik cihazlara zarar verir.

Hava veya oksijen varlığında, bir statik deşarj, ozonu oluşturabilir. Ozon kauçuk parçaların aşınmasına neden olabilir. Birçok elastomer, ozon çatlamasına karşı oldukça duyarlıdır. Ozona maruz kalma, conta ve O-halkaları gibi kritik bileşenlerde derin çatlakların oluşmasına neden olur. Eğer önleyici önlemler alınmazsa, yakıt hatları da bu durumdan dolayı zarar görebilir. Kauçuk karışımına antiozonant ilavesi yapılması, ya da ozon dirençli kauçuk kullanılması önlem olabilir. Özellikle, araçların elektriksel ekipmanlar tarafından ozon üretimi yapılan motor kısımlarında, kırık yakıt hatları yangına neden olabilmektedir.

Bir statik elektrik deşarjından çıkan enerji geniş bir aralıkta değişiklik gösterebilir. Joule cinsinden bir cismin kapasitansındaki(c) enerji ve Volt(V) cinsinden statik potansiyeli, formülü ile hesaplanabilir. Deney yapan bir kişi insan vücudunun kapasitansını 400 pikofarad kadar yüksek, yükünü 50,000 volt, yüklü bir arabaya dokunduğu zaman kıvılcımla birlikte ürettiği enerjiyi 500 mili Joule olarak tahmin eder. Diğer bir tahmin ise 60 mJ maksimum bir enerjiyi üretmek için gereken yük 20,000 volt, kapasitans ise 100-300 pF’dir. IEC 479-2:1987, 5000 mJ’den fazla miktarda bir enerjinin, doğrudan insan sağlığı için ciddi bir risk olduğunu bildirmektedir.

Corona deşarjı, yüksel potansiyellerdeki yükü dağıttığı için, maksimum potansiyel yaklaşık olarak 35-40 kV arasında sınırlandırılmıştır. 300 voltun altındaki potansiyeller, insanlar tarafından tipik olarak saptanamamaktadır. Optimum koşullarda, maksimum potansiyel 20-25 kV’a ulaşabiliyor olsa da, insan üzerindeki maksimum potansiyel 1-10 kV arasında değişmektedir.

Düşük bağıl nem, %15 nispi nemde, vinil zemin üzerinde 20 fit(6.1m) yüründüğünde yük birikimini artırır. Bu durum, %80 nemde sadece 1.5 kV olan voltajın birikip 12 kV’a çıkmasına sebep olmaktadır. 0.2 mili joule kadar düşük kıvılcım enerjisi, genellikle insan görsel ve işitsel algı eşiğinin altındadır ve tutuşma tehlikesi oluşturabilir.

Genellikle 0.2-2 mili joule arasındaki çok düşük miktardaki enerjilere, yanıcı yakıt ve hava karışımlarını ateşlemek için ihtiyaç duyulur. Yaygın endüstriyel hidrokarbon gazları ve çözücüler için, buhar-hava karışımının tutuşması için gereken minimum enerji miktarı, yaklaşık olarak, en düşük patlama sınırı ile en yüksek patlama sınırının tam ortasında bulunan en düşük buhar konsantrasyonunun olduğu yerdir ve konsantrasyon sapması bu optimum değerden iki değere doğru hızla artmaktadır. Yanıcı sıvıların aerosolleri, kendi parlama noktalarının altındaki değerlerde tutuşabilir. Genellikle, sıvı aerosoller, 10 mikrometre boyutlu partiküllerle buhar gibi 40 mikrometre partiküllerle ise daha çok yanıcı toz gibi davranmaktadır. Aerosollerin tipik minimum yanıcı konsantrasyonları 15ve 50 g/m³ arasındadır. Benzer şekilde, sıvı yüzeyinde bulunan köpüğün varlığı da yanabilirliği önemli bir şekilde artırmaktadır. Yanıcı tozların aerosolleri tutuşabilir ve bu durum bir toz patlaması ile sonuçlanabilir. En düşük patlama sınırı 50 ve 1000 g/m³ arasında değişmektedir. İnce tozlar, tutuşmak için daha az kıvılcım enerjisine ihtiyaç duyarak daha patlayıcı olma eğilimindedir. Eşzamanlı olarak, yanıcı buharların ve yanıcı tozların varlığı ile tutuşma enerji önemli bir şekilde azaltılabilir. Hava içerisindeki, sadece %1 hacimdeki propan ile, tutuşma enerjisi ihtiyacı 100 kat azaltılabilir. Atmosferdeki normal oksijen içeriğinden daha yüksek değerde oksijen bulunması da, önemli ölçüde tutuşma enerjisini düşürmektedir.

Kıvılcım, statik elektriğin dahil olduğu endüstriyel patlamalar ve yangılardan sorumludur. Kıvılcım, elektrik potansiyeli farklı olan iki cismin arasında gerçekleşmektedir. Araç gereçlerin bütün kısımlarının iyi bir şekilde topraklanarak, araç gereçlerde ve personelde yük birikimine karşı önlemler alınarak kıvılcım oluşumu önlenebilir.

Fırça deşarjı, yalıtkan yüklü yüzeyden ya da son derece yüklü yalıtkan sıvılardan oluşur. Enerji yaklaşık olarak 4 mili joule civarında sınırlandırılmıştır. Tehlikeli olması için, gerilim yaklaşık olarak 20 kV üzerinde olmak zorundadır. Yüzey polaritesi negatiftir, yanıcı atmosfer, deşarj noktasında mevcuttur ve deşarj enerjisi tutuşma için yeterlidir. Yüzeydeki maksimum yük yoğunluğundan dolayı, en az 100 cm² bir alan dahil olmak zorundadır.

Yayılan fırça deşarjının enerjisi yüksek ve tehlikelidir. 8mm kalınlığa kadar bir yalıtkan yüzey, büyük alana sahip iki kapasitörün zıt yüzeyleri arasında, büyük bir yük birikimine maruz kalırsa, yayılan fırça deşarjı oluşur.

Koni deşarjı, diğer adıyla bulking fırça deşarjı, yüklü tozların üzerindeki yüzeyde 1010 ohm üzerinde özdirenç ile, ya da derin toz kütlesi boyunca oluşur. Koni deşarjı, 1 m³ ün altındaki toz hacimlerinde genellikle görülmez. İlgili enerji, tozun tanecik boyutuna ve yükün büyüklüğüne bağlıdır ve 20 mJ’e kadar ulaşabilir. Daha yüksek hacimli tozlar, daha yüksek enerji üretir.

Statik elektrik, genel olarak, fotokopya çıkartma tekniğinde, hava filtrelerinde (özellikle elektrostatik çöktürücülerde), otomotiv boyaları, fotokopilerde, boya spreylerinde, tiyatrolarda, ameliyathanelerde, toz testinde, yazıcılarda, statik yapıştırmada ve uçak yakıt ikmalinde kullanılır.