Protección contra la electricidad estática en la vida cotidiana y en el lugar de trabajo

La actividad diaria de cada persona está relacionada con su movimiento en el espacio. Además, no solo camina, sino que también viaja en transporte.

Durante cada movimiento se produce una redistribución de cargas estáticas, cambiando el balance del equilibrio interno entre los átomos y electrones de cada sustancia. Está relacionado con el proceso de electrificación, la formación de electricidad estática.

En los sólidos, la distribución de cargas se debe al movimiento de electrones, y en líquidos y gases, tanto de electrones como de iones cargados. Todos estos juntos hacen una diferencia potencial.

Causas de la electricidad estática

Los ejemplos más comunes de la manifestación de fuerzas estáticas se explican en la escuela en las primeras lecciones de física, cuando frotan varillas de vidrio y ebonita sobre telas de lana y demuestran la atracción que ejercen sobre ellas pequeños trozos de papel.

También es conocida la experiencia de desviar un fino chorro de agua bajo la acción de cargas estáticas concentradas en una varilla de ebonita.

En la vida cotidiana, la electricidad estática se manifiesta con mayor frecuencia:

• al usar ropa de lana o sintética;

• caminar con zapatos de suela de goma o calcetines de lana sobre alfombras y batum;

• uso de artículos de plástico.

La situación se ve agravada por:

• aire seco en las instalaciones;

• muros de hormigón armado, a partir de los cuales se hacen edificios de varios pisos.

Cómo se genera estática

Normalmente, el cuerpo físico contiene igual número de partículas positivas y negativas, por lo que en él se crea un equilibrio que asegura su estado neutral. Al ser perturbado, el cuerpo adquiere una carga eléctrica de cierto signo.

Estático significa un estado de reposo cuando el cuerpo no se mueve. La polarización puede ocurrir dentro de su sustancia: el movimiento de cargas de una parte a otra o su transferencia desde un objeto cercano.

La electrificación de sustancias ocurre por adquisición, remoción o separación de cargas cuando:

• interacción de materiales debido a fuerzas de fricción o rotación;

• fuerte caída de la temperatura;

• irradiación de diferentes maneras;

• dividir o cortar cuerpos físicos.

Cargas eléctricas distribuidos en la superficie del objeto o a una distancia de él a varias distancias interatómicas. Para cuerpos sin conexión a tierra, se extienden sobre el área de la capa de contacto, y para aquellos conectados al contorno del suelo, fluyen hacia abajo.

La adquisición de cargas estáticas del cuerpo y su drenaje ocurren simultáneamente. La electrificación se proporciona cuando el cuerpo recibe un mayor potencial de energía que el que gasta en el ambiente externo.

De esta posición se deduce una conclusión práctica: para proteger el cuerpo de la electricidad estática, es necesario drenar las cargas resultantes al bucle de tierra.

Métodos de estimación de electricidad estática

Las sustancias físicas, de acuerdo con su capacidad para formar cargas eléctricas de diferente signo al interactuar por fricción con otros cuerpos, se caracterizan en la escala del efecto triboeléctrico. Algunos de ellos se muestran en la foto.

Los siguientes hechos se pueden citar como un ejemplo de su interacción:

• caminar con calcetines de lana o zapatos con suela de goma sobre una alfombra seca puede cargar el cuerpo humano hasta 5 ÷ -6 kV;

• la carrocería de un automóvil que se desplaza sobre una carretera seca adquiere un potencial de hasta 10 kV;

• la correa de transmisión que hace girar la polea está cargada a 25 kV.

Como puede ver, el potencial de la electricidad estática alcanza valores muy altos incluso en condiciones domésticas. Pero esto no nos hace mucho daño, ya que no tiene mucha potencia, y su descarga pasa por la alta resistencia de las placas de contacto y se mide en miliamperios o un poco más.

Además, se reduce significativamente por la humedad del aire. Su efecto sobre la cantidad de estrés del cuerpo en contacto con diferentes materiales se muestra en el gráfico.

De su análisis se desprende la conclusión: en un ambiente húmedo, la electricidad estática aparece menos. Por ello, se utilizan diversas cremas hidratantes para combatirlo.

En la naturaleza, la electricidad estática puede ser enorme.Cuando las nubes recorren largas distancias, se acumulan importantes potenciales entre ellas, que se manifiestan en forma de rayos, cuya energía es suficiente para partir un árbol centenario a lo largo del tronco o incendiar un edificio residencial.

Cuando la electricidad estática se descarga en la vida cotidiana, sentimos el "pellizco" de los dedos, vemos chispas emitidas por las cosas de lana, sentimos una disminución de la energía y la eficiencia. La corriente a la que nuestro cuerpo está expuesto en la vida cotidiana tiene un efecto negativo en la salud, el estado del sistema nervioso, pero no causa daños evidentes y visibles.

Los fabricantes de equipos de medición industrial producen dispositivos que le permiten determinar con precisión la magnitud del voltaje de las cargas estáticas acumuladas tanto en las cajas de los equipos como en el cuerpo humano.

Cómo protegerse de la electricidad estática en su hogar

Cada uno de nosotros debería comprender los procesos que forman descargas estáticas que representan una amenaza para nuestro cuerpo. Deben ser conocidos y limitados. Para ello, se realizan diversas actividades educativas, entre ellas, programas populares de televisión para la población.

En ellos, con la ayuda de los medios disponibles, se muestran métodos para crear tensión estática, principios de su medición y métodos para llevar a cabo medidas preventivas.

Por ejemplo, teniendo en cuenta el efecto triboeléctrico, lo mejor es utilizar peines de madera natural para peinar el cabello, no de metal o plástico, como hace la mayoría de la gente. La madera tiene propiedades neutras y no forma cargas cuando se frota en el cabello.

Para eliminar el potencial estático de la carrocería del automóvil cuando se conduce en una carretera seca, se utilizan tiras antiestáticas especiales adheridas a la parte inferior. Varios tipos de estos están ampliamente disponibles para la venta.

Si no existe tal protección en el automóvil, entonces el potencial de voltaje se puede eliminar mediante una conexión a tierra a corto plazo de la carcasa utilizando un objeto metálico, por ejemplo, una llave de encendido del automóvil. Es especialmente importante seguir este procedimiento antes de repostar.

Cuando se acumula carga estática en la ropa hecha de materiales sintéticos, se puede eliminar tratando el vapor de un recipiente especial con una composición antiestática. En general, es mejor usar menos telas de este tipo y usar materiales naturales como el lino o el algodón.

Los zapatos con suela de goma también ayudan a acumular carga. Basta con ponerle plantillas antiestáticas hechas de materiales naturales, ya que se reducirá el efecto nocivo en el cuerpo.

Ya se ha comentado la influencia del aire seco característico de los apartamentos urbanos en invierno. Humidificadores especiales o incluso pequeños trozos de tela humedecida colocados sobre los artículos del hogar mejoran el medio ambiente y reducen la formación de electricidad estática. Pero la limpieza húmeda regular en interiores le permite eliminar partículas electrificadas y polvo de manera oportuna. Esta es una de las mejores maneras de protegerse.

Los electrodomésticos también acumulan cargas estáticas en la caja durante su funcionamiento.El sistema de conexión equipotencial conectado a la tierra común del circuito del edificio está diseñado para reducir su impacto.Incluso una simple bañera acrílica o una antigua estructura de hierro fundido con el mismo inserto están sujetas a la acción estática y deben protegerse de esta forma.

¿Cómo se lleva a cabo la protección contra la electricidad estática en la producción?

Factores que reducen el rendimiento de los equipos electrónicos

Las descargas generadas en la fabricación de materiales semiconductores pueden causar grandes daños, perturbar las características eléctricas de los dispositivos o incluso desactivarlos por completo.

En los entornos de producción, la eliminación puede ser arbitraria y depende de varios factores diferentes:

• los valores de la capacidad recibida;

• energía potencial;

• resistencia eléctrica de los contactos;

• tipo de transitorios;

• otros accidentes.

En este caso, en el tiempo inicial del orden de diez nanosegundos, la corriente de descarga aumenta hasta un máximo y luego disminuye entre 100 y 300 ns.

La naturaleza de la ocurrencia de descarga estática en un dispositivo semiconductor a través del cuerpo del operador se muestra en la foto.

La magnitud de la corriente se ve afectada por: la capacidad de carga acumulada por una persona, la resistencia de su cuerpo y las almohadillas de contacto.

En la fabricación de equipos eléctricos, se pueden crear descargas estáticas sin la intervención del operador debido a la formación de contactos a través de superficies puestas a tierra.

En este caso, la corriente de descarga se ve afectada por la capacidad de carga acumulada por la carcasa del dispositivo y la resistencia de las almohadillas de contacto formadas. En este caso, el potencial de alto voltaje inducido y la corriente de descarga afectan simultáneamente al semiconductor en el instante inicial.

Debido a un efecto tan complejo, el daño puede ser:

1.en concreto, cuando el rendimiento de los elementos se reduzca hasta tal punto que queden inutilizables;

2. oculto: al reducir los parámetros de salida, a veces incluso dentro de las características establecidas de fábrica.

El segundo tipo de mal funcionamiento es difícil de detectar: ​​con mayor frecuencia afectan la pérdida de productividad durante el trabajo.

Un ejemplo de tal daño por la acción de un alto voltaje estático se muestra en los diagramas de desviación de las características de voltios-amperios aplicadas al diodo KD522D y al circuito integrado KR1005VI1 LSI.

La línea marrón número 1 muestra los parámetros de los dispositivos semiconductores antes de las pruebas con voltaje aumentado, y las curvas número 2 y 3 muestran su reducción bajo la influencia del potencial inducido aumentado. En el caso #3, tiene un mayor impacto.

Los daños pueden ser causados ​​por acciones de:

• voltaje inducido sobreestimado que rompe la capa dieléctrica de los dispositivos semiconductores o rompe la estructura cristalina;

• alta densidad de corriente que provoca altas temperaturas que conducen a la fusión de materiales y la quema de la capa de óxido;

• ensayos, entrenamiento térmico eléctrico.

El daño latente puede afectar el trabajo no de inmediato, sino después de varios meses o incluso años de trabajo.

Métodos para realizar la protección ESD en producción

Dependiendo del tipo de equipo industrial, se utiliza uno de los siguientes métodos para mantener la operatividad o su combinación:

1. eliminando la formación de cargas electrostáticas;

2. bloquear su entrada al lugar de trabajo;

3. aumentar la resistencia de los dispositivos y accesorios a la acción de las descargas.

Los métodos n.º 1 y n.º 2 le permiten proteger un gran grupo de dispositivos diferentes en un complejo, y el n.º 3 se usa para dispositivos individuales.

Se logra una alta eficiencia en el mantenimiento de la operatividad del equipo colocándolo en una jaula de Faraday, un espacio rodeado por todos lados por una malla fina de malla metálica conectada al bucle de tierra. Los campos eléctricos externos no penetran en su interior y tiene un imán estático.

Los cables blindados funcionan según este principio.

La protección contra la acción estática se clasifica según los principios de aplicación de:

• físicos y mecánicos;

• químico;

• constructivamente y tecnológicamente.

Los dos primeros métodos le permiten prevenir o reducir la formación de cargas estáticas y aumentar la velocidad de su drenaje. El tercer método protege los dispositivos de los efectos de las cargas, pero no afecta su drenaje.

Puede mejorar el drenaje de desechos al:

• creando una corona;

• aumentando la conductividad de los materiales en los que se acumulan las cargas.

Resuelve estos problemas:

• ionización del aire;

• aumento de las superficies de trabajo;

• selección de materiales con la mejor conductividad volumétrica.

Gracias a su implementación, se crean carreteras preparadas para conducir cargas estáticas al circuito de tierra, excluyendo su impacto en los elementos de trabajo de los dispositivos. En este caso, se tiene en cuenta que la resistencia eléctrica total del camino creado no debe exceder los 10 ohmios.

Si los materiales tienen una gran resistencia, entonces la protección se realiza de otra manera. De lo contrario, comienzan a acumularse cargas en la superficie, que pueden descargarse al contacto con el suelo.

En la foto se muestra un ejemplo de la implementación de protección electrostática compleja en el lugar de trabajo para un operador que se dedica al mantenimiento y ajuste de dispositivos electrónicos.

La superficie de la mesa está conectada al bucle de tierra mediante un cable de conexión y una almohadilla conductora que usa terminales especiales. El operador trabaja con ropa especial, usa zapatos con suelas conductoras y se sienta en una silla con un asiento especial. Todas estas medidas permiten disponer de forma efectiva en el suelo de las cargas acumuladas.

Los ionizadores de aire en funcionamiento regulan la humedad y reducen el potencial de electricidad estática. Al usarlos, se tiene en cuenta que el aumento del contenido de vapor de agua en el aire afecta negativamente a la salud humana. Así que tratan de mantenerlo en torno al 40%.

Además, una forma efectiva puede ser la ventilación regular de la habitación o el uso de un sistema de ventilación en la misma, cuando el aire pasa a través de los filtros, se ioniza y se mezcla, asegurando así la neutralización de las cargas resultantes.

Para reducir el potencial acumulado por el cuerpo humano, se pueden utilizar pulseras que complementen el conjunto de ropa y zapatos antiestáticos. Consisten en una banda conductora que se sujeta al hombro con una hebilla. Este último está conectado al cable de tierra.

Con este método, se limita la corriente que fluye a través del cuerpo humano. Su valor no debe exceder un miliamperio. Valores mayores pueden causar dolor y lesiones eléctricas.

Durante la descarga de la carga al suelo, es importante garantizar la velocidad de su descarga en un segundo.Para ello se utilizan revestimientos de suelo de baja resistencia eléctrica.

Cuando se trabaja con placas de semiconductores y componentes electrónicos, también se proporciona protección contra daños por electricidad estática:

• derivación forzada de los terminales de placas y bloques electrónicos durante las inspecciones;

• utilizando herramientas y soldadores con cabezas de trabajo conectadas a tierra.

Los contenedores de líquidos inflamables ubicados en los vehículos están conectados a tierra con una cadena de metal. Incluso el fuselaje del avión está equipado con cables metálicos que funcionan como protección contra la electricidad estática durante el aterrizaje.