ไฟฟ้าสถิต

สาเหตุของการเกิดไฟฟ้าสถิต

วัสดุทั้งหลายประกอบขึ้นจากอะตอมที่ปกติแล้วจะเป็นกลางทางไฟฟ้าเพราะพวกมันมีจำนวนของประจุบวก (โปรตอนในนิวเคลียส) และจำนวนของประจุลบ (อิเล็กตรอนใน "วงรอบนิวเคลียส") เท่ากัน ปรากฏการณ์ของไฟฟ้าสถิตจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีการแยกประจุบวกและลบออกจากกัน เมื่อวัตถุสองชนิดเสียดสี หรือ สัมผัสกัน อิเล็กตรอนอาจย้ายจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ทำให้วัตถุหนึ่งมีประจุบวกเกิน และอีกวัตถุหนึ่งมีประจุลบเกินในจำนวนที่เท่ากัน เมื่อแยกวัตถุทั้งสองออกจากกัน จึงเกิดการไม่สมดุลของประจุขึ้นในวัตถุแต่ละตัว  วัตถุที่มีประจุลบเกิน ก็ถือว่าเกิดไฟฟ้าสถิตประจุลบ วัตถุที่ประจุบวกเกิน ก็เรียกว่าเกิดไฟฟ้าสถิตประจุบวก
การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากการสัมผัส
อิเล็กตรอนสามารถแลกเปลี่ยนกันระหว่างวัสดุโดยการสัมผัส วัสดุที่มีอิเล็กตรอนผูกพันอย่างอ่อนมีแนวโน้มที่จะสูญเสียพวกมันในขณะที่วัสดุที่มีวงรอบนอกมีที่ว่างมีแนวโน้มที่จะได้รับพวกมัน ธรรมชาตินี้เรียกว่าผลกระทบไทรโบอิเล็กตริก และเป็นผลให้วัสดุหนึ่งกลายเป็นมีประจุบวกและอีกวัสดุหนึ่งมีประจุลบ ขั้วและความแข็งแรงของประจุบนว้สดุทั้งสองทันทีที่พวกมันถูกแยกออกจากกันจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่สัมพันธ์กันระหว่างพวกมันในไฟฟ้าสถิต#ชุดของไทรโบอิเล็กตริก ผลกระทบไทรโบอิเล็กตริกเป็นสาเหตุหลักของการผลิตไฟฟ้าสถิตที่สังเกตได้ในชีวิตประจำวัน และในการสาธิตตามโรงเรียนมัธยมทางวิทยาศาสตร์ทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับการถูวัสดุที่แตกต่างเข้าด้วยกัน (เช่นขนสัตว์กับแกนอาคริลิค) การแยกประจุที่เหนี่ยวนำโดยการสัมผัสเป็นสาเหตุที่ทำให้เส้นผมของคุณตั้งขึ้นและทำให้เกิดการ "เกาะติดจากไฟฟ้าสถิต" (ตัวอย่างเช่นบอลลูนเมื่อขัดถูกับผมจะกลายเป็นมีประจุลบ เมื่ออยู่ใกล้กับกำแพงบอลลูนที่มีประจุจะดูดกับอนุภาคประจุบวกในผนังและสามารถ "เกาะติด" กับมัน ปรากฏให้เห็นว่ามันถูกแขวนต้านแรงโน้มถ่วงของโลก)
การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากความดัน
ความเครียดเชิงกลที่จ่ายให้จะทำให้เกิดการแยกประจุในบางประเภทของผลึกและโมเลกุลเซรามิกส์
การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากความร้อน
ความร้อนจะทำให้เกิดการแยกประจุในอะตอมหรือโมเลกุลของวัสดุบางอย่าง วัสดุไพโรอิเล็กตริกทั้งหมดยังเป็นไพโซอิเล็กตริกอีกด้วย คุณสมบัติของอะตอมหรือโมเลกุลของการตอบสนองต่อความร้อนและความดันจะสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด
การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากประจุ
วัตถุที่มีประจุเมื่อถูกนำมาใกล้กับวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้​​าจะทำให้เกิดการแยกประจุภายในวัตถุที่เป็นกลาง ประจุขั้วเดียวกันจะผลักกันและประจุขั้วตรงข้ามกันจะดูดกัน เมื่อแรงอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของประจุไฟฟ้าตกลงไปอย่างรวดเร็วตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้น ประจุ (ขั้วตรงข้าม) ที่อยูใกล้มากกว่าจะส่งผลกระทบมากกว่าและวัตถุทั้งสองจะรู้สึกถึงแรงดึงดูด ผลจะเด่นชัดมากที่สุดเมื่อวัตถุที่เป็นกลางเป็นตัวนำไฟฟ้าเมื่อประจุมีอิสระมากขึ้นที่จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ การลงดินอย่างระมัดระวังของบางส่วนของวัตถุที่มีการแยกประจุที่เกิดขึ้นจากประจุสามารถเพิ่มหรือลดอิเล็กตรอนอย่างถาวร ปล่อยให้วัตถุเหลือแต่เพียงประจุถาวร กระบวนการนี้​​้เป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอแกรฟฟ์ อุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปในการสาธิตผลกระทบของไฟฟ้​​านิ่ง

การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต

ประกายไฟที่เกิดจากไฟฟ้าสถิตจะเกิดจากการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต เมื่อประจุส่วนเกินจะถูกเป็นกลางโดยการไหลของประจุจากหรือไปยังสภาพแวดล้อม
ความรู้สึกของไฟฟ้าช็อกจะเกิดจากการกระตุ้นของเส้นประสาทเมื่อกระแสเป็นกลางไหลผ่านร่างกายมนุษย์ พลังงานที่เก็บไว้ในรูปไฟฟ้าสถิตย์บนวัตถุหนึ่งจะแปรผันขึ้นอยู่กับขนาดของวัตถุและค่าคาปาซิแตนซ์ของมัน, แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ใส่ประจุให้มัน และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางโดยรอบ สำหรับการสร้างแบบจำลองของ ผลกระทบของการปล่อยปล่อยไฟฟ้าสถิตบนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไว มนุษย์จะถูกแสดงเป็นตัวเก็บประจุขนาด 100 pf ถูกใส่ประจุจากแรงดันไฟฟ้า 4000 ถึง 35000 โวลต์ เมื่อสัมผัสกับวัตถุ พลังงานนี้จะถูกปลดปล่อยในเวลาน้อยกว่าหนึ่งส่วนล้านวินาที ในขณะที่พลังงานทั้งหมดมีขนาดเล็ก ด้วยค่าสิบยกกำลังของมิลลิจูล มันก็ยังสามารถสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไว วัตถุขนาดที่ใหญ่กว่าจะเก็บพลังงานได้มากกว่า ซึ่งอาจเป็นอันตรายโดยตรงจากการสัมผัสของมนุษย์ หรืออาจจะให้ประกายไฟที่สามารถจุดชนวนก๊าซหรือฝุ่นละอองไวไฟ

ฟ้าผ่า

ฟ้าผ่าเป็นตัวอย่างที่เกิดตามธรรมชาติที่ดราม่าอย่างหนึ่งของการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตย์ ในขณะที่รายละเอียดยังไม่ชัดเจนและยังคงเป็นเรื่องหนึ่งของการอภิปราย มีการคิดกันว่าการแยกประจุในช่วงเริ่มต้นถูกน่าจะเชื่อมโยงกับการสัมผัสกันระหว่างอนุภาคน้ำแข็งด้วยกันภายในเมฆพายุ โดยทั่วไปการสะสมประจุอย่างมีนัยสำคัญจะสามารถคงอยู่ในภูมิภาคของการนำไฟฟ้าที่ต่ำเท่านั้น (มีประจุอิสระน้อยมากที่เคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ) ด้วยเหตุนี้การไหลของประจุที่เป็นกลางมักจะเป็นผลมาจากอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางในอากาศที่ถูกฉีกออกเพื่อแยกประจุบวกและประจุลบออกจากกัน ซึ่งจะเดินทางไปในทิศทางตรงข้ามเหมือนเป็นกระแสไฟฟ้าหนึ่งซึ่งจะทำให้การสะสมเดิมของประจุเป็นกลาง ประจุไฟฟ้าสถิตในอากาศโดยทั่วไปจะแตกตัวในลักษณะนี้ที่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 10,000 โวลต์ต่อเซนติเมตร (10 กิโลโวลต์/ซม.) ขึ้นอยู่กับความชื้น การปลดปล่อยประจุจะสร้างความร้อนยิ่งยวดให้กับอากาศโดยรอบทำให้เกิดเป็นแสงวาบ (หรือที่เรียกว่าฟ้าแลบ) และผลิตคลื่นช็อกเป็นเสียงฟ้าร้อง สายฟ้าผ่าเป็นเพียงเวอร์ชันรุ่นที่ถูกปรับให้มีขนาดสูงขึ้นจากประกายไฟที่เห็นได้ในเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในท้องถิ่นส่วนใหญ่ของการปล่อยปล่อยไฟฟ้าสถิต แสงวาบเกิดขึ้นเนื่องจากอากาศตามแนวการปลดปล่อยประจุถูกทำให้มีความร้อนสูงจนเปล่งแสงจากความร้อน

ไฟฟ้าสถิตสะสมในวัสดุของไหลที่ไวไฟและจุดระเบิดได้

การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตสามารถสร้างอันตรายอย่างรุนแรงในอุตสาหกรรมที่ต้องทำงานกับสารไวไฟที่ประกายไฟฟ้าขนาดเล็กอาจจุดชนวนส่วนผสมที่ระเบิดได้
การไหลของสารที่เป็นผงละเอียดหรือของเหลวการนำต่ำในท่อหรือผ่านการกวนเชิงกลสามารถสะสมไฟฟ้าสถิตย์ได้ การไหลของเม็ดของวัสดุเช่นทรายลงไปตามรางพลาสติกสามารถถ่ายโอนประจุได้ ซึ่งสามารถวัดได้อย่างง่ายดายโดยใช้มัลติมิเตอร์เชื่อมต่อกับฟอยล์โลหะที่ซับในรางช่วงเวลานั้น และสามารถเป็นสัดส่วนหยาบ ๆ กับการไหลของอนุภาค เมฆฝุ่นของสารที่เป็นผงละเอียดสามารถไหม้ไฟหรือระเบิดได้ เมื่อมีการปบลดปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตในฝุ่นหรือเมฆไอน้ำ การระเบิดก็เกิดขึ้นได้ ท่ามกลางอุบัติการณ์ในอุตสาหกรรมหลักที่เคยเกิดขึ้นก็คือไซโลเมล็ดพืชในภาคตะวันตกเฉียงใต้ของฝรั่งเศส, โรงงานผลิตสีในประเทศไทย, โรงงานทำแม่พิมพ์ไฟเบอร์กลาสในแคนาดา, การระเบิดถังเก็บในเมืองเกลนพูลรัฐโอคลาโฮมาในปี 2003 และการดำเนินงานถังบรรจุแบบเคลื่อนที่และคลังน้ำมันในเมือง Des Moines ร้ฐไอโอวา และเมืองแวลลีย์เซนเตอร์รัฐแคนซัสในปี 2007
ความสามารถของของเหลวที่จะเก็บประจุไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้าของมัน เมื่อของเหลวการนำต่ำไหลผ่านท่อหรือถูกเขย่าด้วยเครื่องกล การแยกประจุที่เหนี่ยวนำโดยการสัมผัสที่เรียกว่า ไฟฟ้าจากการไหล (อังกฤษ: flow electrification) จะเกิดขึ้น ของเหลวที่มีการนำไฟฟ้าต่ำ (ต่ำกว่า 50 picosiemens ต่อเมตร) จะถูกเรียกว่าตัวสะสม ของเหลวที่มีการนำสูงกว่า 50 pS/m จะเรียกว่าตัวไม่สะสม ในตัวไม่สะสม ประจุจะฟื้นคืนสภาพได้เร็วที่สุดเท่าที่พวกมันจะแยกออกจากกัน ดังนั้นการสะสมประจุไฟฟ้าจึงไม่ได้มีนัยสำคัญ ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี 50 pS/m คือค่าต่ำสุดการนำไฟฟ้าที่แนะนำสำหรับการกำจัดที่เพียงพอของประจุจากของเหลว
น้ำมันก๊าด (อังกฤษ: Kerosine) อาจมีการนำไฟฟ้าตั้งแต่น้อยกว่า 1 pS/m จนถึง 20 pS/m เมื่อเปรียบเทียบกัน น้ำที่ถอดไอออนออกแล้วจะมีการนำประมาณ 10,000,000 pS/m หรือ 10 µS/m
น้ำมันหม้อแปลงเป็นส่วนหนึ่งของระบบฉนวนไฟฟ้าของหม้อแปลงไฟฟ้​​าขนาดใหญ่และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ การเติมมันลงไปใหม่ให้กับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ต้องป้องกันการเติมประจุไฟฟ้าสถิตของของเหลวซึ่งอาจเกิดความเสียหายต่อฉนวนของหม้อแปลงที่มีความไว

การเติมเชื้อเพลิง

การไหลของของเหลวไวไฟเช่นน้ำมันเบนซินภายในท่อสามารถสร้างและสะสมไฟฟ้าสถิต ของเหลวไม่มีขั้วเช่นเบนซิน, โทลูอีน, ไซลีน, ดีเซล, น้ำมันก๊าดและน้ำมันดิบชนิดเบาแสดงความสามารถที่สำคัญสำหรับการสะสมประจุและการเก็บรักษาประจุในระหว่างการไหลด้วยความเร็วสูง การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตสามารถจุดประกายไอน้ำมันเชื้อเพลิง เมื่อพลังงานการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตสูงพอ มันจะสามารถจุดประกายไอน้ำมันเชื้อเพลิงกับส่วนผสมอากาศ เชื้อเพลิงที่แตกต่างกันจะมีขีดจำกัดไวไฟแตกต่างกันและต้องมีพลังงานปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตที่จะจุดชนวนในที่ระดับที่แตกต่างกันด้วย
การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตในขณะเติมพลังงานด้วยน้ำมันเบนซินเป็นอันตรายที่เกิดขึ้นที่สถานีบริการน้ำมัน. ไฟยังสามารถเกิดขึ้นที่สนามบินในขณะเติมน้ำมันอากาศยานด้วยน้ำมันก๊าด เทคโนโลยีการลงดินใหม่ ๆ เช่นการใช้วัสดุที่เป็นตัวนำบวกกับสารป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ช่วยในการป้องกันหรือช่วยกระจายการสะสมของไฟฟ้​​านิ่งได้อย่างปลอดภัย
การไหลของก๊าซเพียงอย่างเดียวในท่อสามารถสร้างไฟฟ้าสถิตขึ้นได้ มันมีการจินตนาการว่ากลไกการสร้างประจุจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคของแข็งหรือหยดของเหลวจะถูกนำพาอยู่ในกระแสก๊าซเท่านั้น

การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตในการสำรวจอวกาศ

เนื่องจากความชื้นที่ต่ำอย่างรุนแรงในสภาพแวดล้อมต่างดาว ประจุไฟฟ้าสถิตขนาดใหญ่มากสามารถสะสมขึ้นได้ ก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนที่ใช้ในยานพาหนะการสำรวจอวกาศ ไฟฟ้าสถิตถูกคิดว่าจะเป็นอันตรายโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักบินอวกาศในภารกิจการวางแผนไปยังดวงจันทร์และดาวอังคาร การเดินข้ามภูมิประเทศที่แห้งอย่างสุดขั้วอาจทำให้พวกเขาสะสมประจุเป็นจำนวนมหาศาล การเอื้อมมือออกไปเปิดกลอนอากาศในขณะเดินทางการกลับของพวกเขาอาจก่อให้เกิดการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตขนาดใหญ่ที่อาจทำลายอุปกณ์รอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความสำคัญ

การแตกร้าวจากโอโซน

การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตในบริเวณที่มีการปรากฏตัวของอากาศหรือออกซิเจนสามารถสร้างโอโซนขึ้นได้ โอโซนสามารถลดคุณภาพชิ้นส่วนที่เป็นยาง สารที่มีคุณสมบัติยืดหยุ่นแบบยางธรรมชาติ (อังกฤษ: elastomer) จำนวนมากมีความไวต่อการแตกร้าวจากโอโซน การเปิดรับต่อโอโซนจะสร้างรอยแตกทะลุลึกลงไปในองค์ประกอบที่สำคัญเช่นปะเก็นและโอริง นอกจากนี้ท่อส่งน้ำมันเชื้อเพลิงยังมีความเสี่ยงที่จะเกิดปัญหาเว้นแต่จะมีมาตรการป้องกันที่รวมถึงการใส่สารต้านโอโซนลงในส่วนผสมยาง หรือใช้ยางที่ทนต่อโอโซน ไฟไหม้จากท่อน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีรอยแตกได้สร้างปัญหากับยานพาหนะมานาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของเครื่องยนต์ที่โอโซนสามารถถูกผลิตขึ้นโดยอุปกรณ์ไฟฟ้า