Staattinen sähkö

Staattinen sähkö  tarkoittaa staattista sähkövarausta. Tämä on aineen sähköinen epätasapainotila, jolloin staattisesti varautuneessa kappaleessa on elektronien vajaus tai ylimäärä, eli positiivinen tai negatiivinen varaus. Normaali sähköinen varaus purkautuu sähkövirran katketessa, mutta staattinen varaus on pysyvämpi, koska se usein muodostuu sähköä eristävään materiaaliin eikä pääse purkautumaan. Hankaamisen ja koskettamisen lisäksi varautuminen voi syntyä esimerkiksi sähkölaitteen sähkökentässä induktion vaikutuksesta kappaleeseen.

Historia

Egyptissä noin 2750 eaa. tiedettiin joidenkin kalojen pystyvän iskemään lamauttavasti, mikä johtuu esimerkiksi sähkörauskujen sähkövarauksesta. Antiikissa meripihka tunnettiin aineena, joka kuivalla säällä hierottaessa saattoi kipinöidä ja vetää pieniä kappaleita puoleensa. Thales selitti ilmiön johtuvan meripihkan sielusta, joka vaikutti elottomiin esineisiin. Theofrastos havaitsi turmaliinin (lapis lyncurius) sisältävän samanlaisia ominaisuuksia. Gaius Plinius Secundus lisäsi listaan rubiinin. Arabit tunsivat gagaatin. Antiikin ajasta myöhäiskeskiajalle ilmiötä ei juuri tutkittu, eikä muita sähköilmiöitä kuten salamaa osattu yhdistää staattisen sähkön ilmentymiin.

Keskiajalla magnetismista ja sähköilmiöistä mainitsivat Roger Bacon ja Girolamo Cardano. William Gilbert oli ensimmäinen, joka luetteli systemaattisesti kappaleita, jotka saivat ominaisuuksia hangattaessa. 1650-luvulla Otto von Guericke rakensi rikkipallon, jolla saattoi tehdä hankaussähköön liittyviä kokeita. Myöhemmin Francis Hauksbee rakensi lasipallosta laitteen, jolla sai tehtyä sähköä polkemalla. Leydenin pullo yhdistettynä lasipallogeneraattoriin antoi alun kaikelle sähkön tutkimukselle.

Syitä sähköstaattisen varauksen muodostumiseen

Hankaussähkö
Tribosähköinen ilmiö syntyy kahden eri materiaalin hankautuessa toisiaan vasten. Tämä on tunnetuin sähkövarauksen muodostumistapa ja helposti demonstroitavissa hankaamalla muovimateriaaleja puuvillakankaalla. Tällöin toinen materiaali varautuu positiivisesti ja toinen negatiivisesti. Ihmisen ollessa yleensä positiivisesti varautunut ja sähköäjohtava, niin negatiivisesti varautunut muovi synnyttää kosketuksessa kipua aiheuttavan sähköpurkauksen, joka voi näkyä kipinänä.

Pietsosähköinen ilmiö
Pietsosähköinen ilmiö syntyy kappaleen muodonmuutoksesta tietynlaisessa kiderakenteessa.

Sähköstaattinen induktio
Sähköstaattinen induktio eli influenssi on ilmiö, jolla myös johtavat metallikappaleet saadaan staattisesti varautuneiksi.

Sähköstaattinen purkaus 

Staattisen sähkövarauksen äkillistä purkautumista nimitetään ESD-pulssiksi. ESD-pulssi voi olla vahingollinen esimerkiksi elektroniikalle ja hankaussähkön purkaus esimerkiksi vaatteista aiheuttaa kipua. 

Taulukko: Hankaussähkön jännitteen riippuvuus suhteellisesta ilmankosteudesta (RH). 

Elektroniikkateollisuudessa staattista sähköä torjutaan ESD-suojauksella. Varsinaisessa teollisuudessa työntekijöillä on ESD-vaatetus ja -jalkineet. Työskentelyalueen lattia ja työtasot ovat niin ikään suojattuja. ESD-suojauksessa mahdollisesti syntyvät staattiset varaukset johdetaan hallitusti maahan. (Esimerkiksi 10 megaohmin vastuksen kautta). Näin suuria varauksia ei pääse syntymään, ja mahdollisesti syntyvät varaukset puretaan hallitusti. Voidaan myös käyttää staattisen kentän ilmaisinta, joka ilmoittaa henkilöiden varautumisesta.

Pienemmässä mittakaavassa voidaan esimerkiksi työtaso maadoittaa sähköverkon maadoitukseen tai henkilö voi käyttää antistaattista ranneketta.

Staattisen sähkövarauksen hyödyntäminen
Teollisuudessa staattista sähkövarausta hyödynnetään kappaleiden kiinnittämiseen, esimerkiksi ESC (Electrostatic chuck) kiinnitystä käytetään plasmaetsauskoneissa piikiekkojen pitämiseen kiinni alustassaan. Varaus näissä synnytetään sähköllä ja se voidaan myös purkaa kappaleen irrottamiseksi.

Elektrofotografiassa, jota käytetään valokopioinnissa ja lasertulostimissa, kopiokoneen tai tulostimen rumpu ladataan ensin staattisella sähköllä ja varaus puretaan sitten pois halutuista kohdista valon avulla. Värijauhe tarttuu niihin kohtiin, joihin sähkövaraus on jäänyt.

Elektreettimikrofonissa hyödynnetään elektreettimateriaalissa olevaa pysyvää staattista sähkövarausta polarisaatiojännitteen muodostamiseen.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Sähkö
Elektroniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit