Statik Elektrik. Aşağıdaki listede triboelektrik dizininden bazı örnekleri en pozitiften en negatife görebilirsiniz:

Transkript

1 Statik Elektrik Statik elektrik ile günlük hayatımızda hemen hepimiz karşılaşmışızdır. Örneğin kış günlerinde yünlü giysilerimizi giyip çıkarırken kıvılcım atlamalatrını gözle görüp kıvılcım seslerini duyduğumuz olmuştur. Böyle günlerde vücudumuza biriken statik yük bir metal parçasına yaklaştığımızda ya da başka biriyle temas ettiğimizde kıvılcım ile boşalmak istemektedir. Örneğin cam bir çubuğu ipek kumaşa ya da bir kehribar taşını yüne sürttüğümüzde cam ve kehribar statik yükle yüklenecek ve küçük kağıt parçaçıklarını kendine çekecektir, tüm bunların nasıl olduğunu anlamak için atomun yapısına bakmak lazımdır. Bütün maddeler atomdan meydana gelmiş olup atomlar ise yüklü parçacıklardan meydana gelmiştir. Atomların proton ve nötrondan oluşan çekirdekleri ve etrafında da elektronların olduğu kabukları vardır. Protonlar + elektronlar - ve nötronlar ise yüksüz olarak kabul edilirler. Normal şartlarda tüm atomlar nötr olarak, yani proton ile elektron sayıları birbirine eşit olarak kabul edilir. Atomda proton sayısı elektrondan büyükse atom pozitif tam tersi durumlarda ise negatif yüklüdür. Bazı atomlar elektronlarına diğer atomlara göre daha sıkı yapışırlar. Maddenin elektronlarına ne sıkı tutunduğu onun triboelektrik dizininde (sürtünme elektriği) dizininde hangi sırada olacağını belirler. Eğer bir madde başka bir madde ile temasında elektron verme eğilimindeyse triboelektrik dizininde daha pozitif bir yere sahip olur eğer alma eğilimindeyse triboelektrik dizininde daha negatif bir yere sahip olurlar. Aşağıdaki listede triboelektrik dizininden bazı örnekleri en pozitiften en negatife görebilirsiniz: İnsan elleri (özellikle nemliyse) Cam İnsan saçı Naylon Yün çok pozitif

2 Kürk Kurşun İpek Alüminyum Kağıt Pamuk Çelik Ahşap Kehribar Sert kauçuk Nikel, bakır Prinç, gümüş Altın, platin Polyester Stiren köpük Streç film Poliüretan Polietilen (örn. Koli bandı) Poliprodilen Vinil (PVC) Silikon Teflon nötr çok negatif Triboelektrik dizisindeki iki maddenin birbirlerine olan göreli pozisyonları, bir temas anında nasıl davranacakları konusunda bir ipucu verir. İpekle ovulan bir cam çubukta yük ayrılığı olur çünkü triboelektrik (sürtünme elektriği) dizininde birbirlerinden farklı konumlardadırlar. Tablodaki sıraları birbirlerinden ne kadar uzaksa, etki de o denli büyük olur. İletken olmayan iki madde birbirleriyle temas ettiğinde, ikisi arasında yapışma denen kimyasal bir reaksiyon oluşur. Maddelerin triboelektrik özelliklerine bağlı olarak, maddelerden biri diğerinin elektronlarını ele geçirebilir. Eğer bu iki madde sonra birbirlerinden ayrılırlarsa elektrik yükünde bir dengesizlik ortaya çıkar. Elektron ele geçiren negatif yüklü, elektron yitiren ise pozitif yüklü hale gelir. Yani maddeler statik yükle yüklenmiş olurlar. Bu yük dengesizliğinden de statik elektrik denen olay ortaya çıkar. Statik, anlam itibariyle aldatıcı bir sözcük, çünkü hareketsizlik, statik olma halini akla getiriyor, oysa gerçekte olağan ve hatta gerekli olan, yük dengesizliklerinin akması. Bir kapı tokmağını tuttuğumuzda hissettiğimiz kıvılcım bu akışın bir örneğidir. Statik elektrik genellikle Volt olarak ölçülür. 220V ana voltaj tehlikeli kabul edilse de, 100 kv lık statik elektrik düzeyleri yaygındır. Bir madde üzerinde bulunan voltaj iki unsura bağlıdır: madde üzerindeki yük miktarı ve maddenin kapasitansı. Basit ilişki Q yük, C kapasitans ve V voltaj iken Q=CV dir. Metallerin yüksek kapasitif değerler taşımaları muhtemeldir, dolayısıyla nispeten yüksek bir yük düşük voltaj üretecektir. Plastikler için tersi doğrudur, plastiklerdeki statik elektrikle ilgili sorunların en çok fark edilir olmasının nedeni de budur. Başlıca iki statik elektrik türü bulunmaktadır, hacim ölçümlü ve yüzey. Hacim ölçümlü statik yükler, madde gövdesi içerisindeki yük dengesizlikleridir, yüzey statik elektriği ise sadece bir maddenin en dış yüzeyinde bulunur. Pratikte, sanayide görülen neredeyse bütün statik elektrik sorunları yüzey yükleriyle ilişkilidir.

3 Statik Nasıl Yaratılır? Statik elektriğin üç ana nedeni vardır: Sürtünme Ayrışma İndüksiyon Sürtünme: İki madde birbirine sürtüldükçe yüzey atomlarıyla ilişkili elektronlar birbirlerine çok yaklaşırlar ve bir maddeden diğerine hareket edebilirler. İki madde birbirine ne kadar sert ve/veya hızlı sürtülürse elektron alışverişi o kadar büyük ve oluşturulan yük o kadar yüksektir. Bu süreç, sürtünmenin meydana getirdiği ısı enerjisini kazanan yüzey elektronlarıyla oluşur. Bu ekstra enerji atomik bağlarını kırmalarını ve diğer atomlara taşımalarını sağlar. Elektron hareketinin doğrultusu Triboelektrik Serideki iki maddenin durumuna bağlıdır. Serinin pozitif tarafındaki maddeler yüzey elektronlarını bırakma ve pozitif yüklenme eğilimindeler iken, negatif taraftaki maddeler elektron kazanma ve negatif yüklenme eğilimindedirler. Ayrışma: Ayrışma yoluyla yükleme yöntemi sürtünme yoluyla olana benzerdir. İki madde birbiriyle temastayken yüzey elektronları birbirlerine çok yakındır ve ayrılmalarıyla birlikte Triboelektrik Serideki göreceli yerlerine bağlı olarak bir maddeye yada diğerine yapışma eğiliminde olurlar. Maddelerin ayrışması ne kadar hızlıysa, oluşturulan yük o kadar yüksektir. Yaygın bir örnek Teflon kaplamalı silindir üzerinde hareket eden PVC ağ dır. Maddeler ayrıştıkça, elektronlar Teflon üzerinde net negatif yük ve PVC üzerinde net pozitif yük meydana getirerek Teflona yapışma eğilimi gösterecektir. İndüksiyon: Maddeler güçlü bir elektrik alanının varlığı altındaysa statik yükler oluşturulabilir. Yükleme, maddenin yüzeyi ile voltaj kaynağı arasındaki havanın iyonlaşmasıyla ortaya çıkar, bu da yüzey elektronlarının maddeden kaynağa taşınmasına neden olur. Yaygın bir indüksiyon örneği yüklenmiş maddeler yakınında çalışan operatördür. Operatör yüklenmiş hale gelecektir ve dokunmasıyla topraklanmış bir nesne elektrik şoku vererek kendisine boşalacaktır. Statik Elektriği Etkileyen Unsurlar Aşağıdakiler dahil birtakım unsurlar statik yükün oluşumunu ve bakımını etkilemektedir: Nem Atmosferik nem tüm yüzeylerde küçük miktarlarda su saklar ve dolayısıyla maddeler üzerindeki yüzey statik yüklerinin akım akışıyla toprağa dağılma eğilimi bulunmaktadır. Örneğin kağıdın genelde yüksek nem içeriği bulunmaktadır ve özellikle yüksek düzeylerde statik sürdürmez. Ancak eğer kağıt özellikle kuruysa statik ciddi bir sorun olabilir. Madde Cinsi Bazı maddeler diğerlerine göre önceden yüklenmiştir. Örneğin asetat camla karşılaştırıldığında çok hızla yük elde edecektir. Aynı zamanda Triboelektrik Serideki maddenin göreceli durumu başka bir maddeyle temas halindeyken pozitif mi yoksa negatif mi yüklediğini belirleyecektir. Örneğin sert kauçuk naylonla sürtüldüğünde negatif yüklenir, fakat politen ile sürtüldüğünde pozitif yüklenir.

4 Tekrar Sürtünme yada ayrışma gibi tekrar edilen eylemler madde üzerindeki yük düzeyini artırır. Örneğin bir dizi Teflon silindir üzerinde hareket eden plastik bir ağ, her silindirden sonraki yüzey yükünü artırır. Sıcaklıkta Değişiklik Madde soğudukça bütün hacmi boyunca net bir yük oluşturma eğilimi kazanır. Eğer madde iyi bir yalıtkansa, dahili (hacim ölçümsel) statik yük çok uzun süreler kalabilir. Ancak zaman içerisinde yük normalde yüzey statik yük olmak üzere yüzeye taşınır. Bu olgunun bir örneği sıcakken nötr görünen fakat soğukken geniş bir yüzeyi olabilecek enjeksiyon kalıplamadır. Akü Etkisi: Birçok yüklenmiş unsurların bileşimi aşırı derecede yüksek yüklere neden olabilir. Örneğin nisbeten düşük yüzey yükleri olan tek tek plastik tabakaları birlikte yığıldığında aşırı derecede yüksek voltajlar oluşturabilir. Statik Giderme Yöntemleri Statik yüklerin nötrleştirilmesinin temel ilkesi hangi teknik kullanılırsa kullanılsın aynıdır. Bir maddenin pozitif yüzey yükü bulunduğunda, yükü nötrleştirmek için elektronlar yüzeye gönderilmelidir. Yüzey yükünün negatif olduğu yerde fazla elektronlar çıkarılmalıdır. Elektronların gönderilmesi yada çıkarılması aşağıdakiler boyunca elektronların hareketiyle sağlanabilir: Maddenin kendisi Yüzeyle temasta olan başka bir madde Civardaki havanın iyonlaşması Uygulamada statik gidermenin üç yöntemi kullanılır: Pasif iyonlaşma Radyoaktif iyonlaşma Etkin elektriksel iyonlaşma Pasif Gidericiler Yüklenmiş bir nesne, kendisiyle etrafındaki herhangi topraklanmış nesne (yada aslında herhangi farklılaşan voltajda nesne) arasında elektrik alanı oluşturacaktır. Karbon elyaf yada paslanmaz çelik topraklanmış fırça kullanan pasif gidericiler durumunda yüklenen nesnenin yüzeyi ile fırça uçları arasında elektrik alanı bulunmaktadır (Şekil 1). Her tek kılın ucundaki ince nokta elektrik alanın bu noktada yüksek düzeyde yoğunlaştırılmasına, nihayet etraftaki hava moleküllerinin iyonlaşmasına neden olmaktadır.

5 Şekil 1 örneğinde maddenin yüzeyi üzerindeki pozitif yük, fırça uçlarından elektronların etrafındaki hava moleküllerine sıçramasına neden olacaktır ve bunları maddenin pozitif yüklenen yüzeyine çekilen negatif iyonlara çevirecektir. İyonlaşmış hava moleküllerinin taşıdığı fazladan elektronlar maddenin yüzeyine gönderilir, bu da yüzeydeki pozitif yükü azaltır. Negatif yüklenmiş yüzey durumunda tersi gerçekleşir. Bu süreçte yüzey ile fırça uçları arasında oluşturulan elektrik alanın havanın iyonlaşmasına neden olmak için artık yeterli olmadığı bir zaman gelecektir ve başka nötrleşme gerçekleşmez. Pasif gidericiler yüksek düzeylerde statik yükü azaltmak için yararlıdır onlarca kvolt birkaç kvolt düzeyine düşer. Ancak kendi özellikleri itibarıyla yüzey yükünü tamamıyla nötrleştiremezler. Radyoaktif Gidericiler Radyoaktif gidericiler polonyum 210 yada başka düşük-düzeyli radyoaktif kaynaklar kullanır. Radyoaktif çürüme sürecinde etraftaki hava molekülleriyle çarpışan ve bunların iyonlaşmış olmalarına neden olan alfa kütlecikleri yayılır. Bu iyonlaşmış hava daha sonra civarındaki yüzeyleri pasif gidericilerle benzer bir biçimde nötrleştirir. Radyoaktif elementlerin geri çekilmesi radyoaktif kaynağın etkinliğini zaman içerisinde kaybetmesi ve yıllık temelde değiştirmeye gerek duyması gerçeğidir. Etkin Elektriksel Gidericiler AC Gidericiler AC Gidericiler besleme frekansında çalışmaktadır. Ana voltaj, örn. 110V yada 240V, 4.5 ile 7 kv arasında voltajlar üretmek üzere demir-çınlamalı transformatör kullanılarak büyük ölçüde artırılabilir. Bu yüksek voltaj iyonlaştırma iğnelerine beslenir, öte yandan çubuğun kılıfı toprağa bağlanır (Şekil 2).

6 Girdi dalga formunun pozitif döngüsü esnasında, elektrot iğnesi kılıfla karşılaştırıldığında pozitif bir voltajdadır, bu da uç noktasında iğnenin benzeri yüküyle itilen pozitif iyon oluşturur. Döngünün negatif olan yarısında tersi meydana gelir. Bu süreç, yakındaki ters kutuplu statik yüklere çekilen (ve nötrleştireceği) pozitif ve negatif iyonlar bulutu oluşturur. Pasif gidericilerin aksine, etkin gidericiler sürekli iyon oluşturmaya ve yüzeyin tam nötrleşmesini elde etmeye yeterlidir. Yüklerin nötrleştirilebileceği hız iyon üretimi oranına ve iyonların yayıcı iğnelerden itilme hızına bağlıdır, bu da sonrasında iğnedeki voltaja bağlıdır. Darbeli DC Gidericiler AC denkleri gibi darbeli DC Gidericiler yüksek voltaj kullanarak iyonlaşmış hava üretir, fakat daha düşük frekanslarda normal olarak 2 ile 20 Hz arasında çalışırlar. Normal bir DC yayıcıda, iyonlaştırma çubuğu dönüşümlü olarak negatif ve pozitif çıktılara bağlanmış bir dizi yayıcıdan oluşur (Şekil 3). Çubuğun kılıfı plastikten yapılmıştır ve dolayısıyla burada hiçbir yakınlık toprağı bulunmamaktadır. Güç beslemesinden gelen çıktı, seçilen frekansta negatiften pozitife geçen etkin bir kare dalgadır. Döngünün pozitif yarısında kontrol düğmesi yüksek çıktı voltajını, yayıcıların benzeri yüküyle çubuktan itilen pozitif iyonların üretilmesiyle sonuçlanacak şekilde pozitif yayıcılara çevirir. Döngünün negatif yarısında negatif iyon üreten dönüşümlü yayıcılar takımına yüksek bir negatif voltaj taşınır. İyonlaşma çubuğu etrafında statik olarak yüklü bir nesne, yükünün kutupsallığına bağlı olarak iyonları çekecek yada itecektir. Darbeli DC sistemleriyle çıktı dalga formunu değiştirmek ve döngünün negatif ve pozitif

7 bölümünün süresini değiştirmek mümkündür. Örneğin eğer nötrleştirilecek yük pozitif olarak biliniyorsa, negatif iyonların üretimini artırmak için döngünün negatif bölümü genişletilebilir. Düşük frekansta çalışmalarıyla darbeli DC gidericiler yüklenmiş nesneleri makul bir mesafeden (1 m ye kadar) fakat nispeten düşük bir hızda, bunları başlıca düşük hareket uygulamaları için etkin kılarak nötrleştirmeye yeterlidir. Sabit Konum DC (SSDC) Gidericiler Sabit Konum DC Gidericiler ayrılmış iyonlaştırma çubuklarına yüksek DC voltaj sağlayarak çalışır. Darbeli DC teçhizata benzer biçimde iyon üretirler, fakat tek bir çubukta yüksek voltajı iki takım yayıcıya dönüşümlü kılmak yerine, yüksek voltajlar güç beslemesinin ya pozitif yada negatif çıktısına sabit olarak bağlanmış çubuklara sürekli olarak beslenir (Şekil 4). Her bir iyonlaşma çubuğuna HT beslemesi bağımsız olarak çeşitlilik gösterebilir, bu da kontrol edicinin çıktısının yükün kutupsallığına göre ayarlanmasına imkan verir. Her bir çubuğun sürekli çalışması düşük oranda yeniden birleşmeyle çok büyük miktarlarda iyon oluşturur. Bu SSDC sistemlerini çok yüksek hızlarda çok yüksek yüklerin nötrleştirilmesi için uygun mevcut en güçlü statik giderici tipi yapmaktadır. Doğru Teçhizatın Seçilmesi Belli bir uygulama için doğru teçhizatı seçmede büyüklüğü, ve bazı durumlarda nötrleştirilecek yükün kutupsallığını bilmek önemlidir. AC gidericilerin kullanılacağı durumlarda doğru giderici çubuğun seçilmesi için statik yükün büyüklüğünü bilmek önemlidir. Darbeli DC yada SSDC teçhizatın kullanılacağı durumlarda statik yükün hem büyüklüğü hem de kutupsallığı, çıktının gücünün ve eğiliminin doğru olarak ayarlanmasına imkan vermede önemlidir. Her ne kadar yüzey yükünün fiili miktarını ölçmek oldukça zor olsa da, yüklenen nesneden bilinen bir mesafede elektrik alanını ölçerek yüzey voltajını çıkarmak mümkündür. Yaygın Elektrostatik Sorunları Ele Alma Sanayide, elektrostatik sorunlar kendisini dört ana biçimde göstermektedir: Elektrostatik çekme (ESA) Maddesel yanlış davranım Operatör / personel şokları Elektrostatik boşalım (ESD) Bu bölüm bu sorunların her birini sırayla incelemekte ve farklı uygulamalarda bunların nasıl ele alınacağına dair bazı pratik örnekler vermektedir.

8 Elektrostatik Çekme (ESA) Nötr hava kütlecikleri yüklü yüzeylere çekilir yada aslında yüklü hava kütlecikleri nötr yüzeye çekilir. ESA en çok plastik esaslı sanayileri etkiler ve aynı zamanda baskı ve film sanayinde ve yarı-iletken imalatında sorun olabilir. Uygulamalı çözüm örnekleri aşağıda olduğu gibidir: Enjeksiyon Kalıplama: Nötrleştirme: (Genellikle toplama kutusunda) körük kullanarak iyonlaşmış havada Bathe bileşenleri. Bu toz yüklenmesini ve çekmesini önlemeye yardımcı olacak fakat çekilmiş kütlecikleri çıkarmayacaktır. Kütlecik çıkarma: Kütlecikler yüksek hızlı iyonlaştırılmış havayla, küçük parçacıklar için enjektörler yada tabancalar, daha büyük parçacıklar için sıkıştırılmış iyonlaştırıcı hava perdeleri ve aşırı büyük parçacıklar için fan-sürüşlü iyonlaştırıcı hava perdeleri kullanılarak etkin biçimde çıkarılabilir. Not: Olağan sıkıştırılmış hava sıklıkla tozu çıkarmakta başarısız olur ve madde üzerinde başka statik-yükler oluşturarak sorunu kötüleştirebilir. Ağlar: Tek yada çift yüzlü ağ temizleyicileri yada yüksek hızda körük sistemleri, hava perdeleri, v.s. uygulanabilir. İpek Perde Baskı Uzun Menzil: Uzun menzil darbeli DC Çubuklar kurumaya neden olmadan ekranlardan gelen yükleri giderecektir. İyonlaştırıcı tabancalar yada hava perdeleri çekilmiş kütlecikleri baskı öncesi alt katmanlardan çıkarabilir. Yarı iletkenler Uzun Menzil: Tek başına yada HEPA filtrelerinden hava yardımıyla darbeli DC kullanılabilir. Maddesel Yanlış Davranış Özellikle otomatikleştirilmiş süreçleri etkileyen başka bir tür ESA bulunmaktadır. Bulaştırıcı ürünler yerine sorun kendisini ürünlerin (yanlış) davranışında, örn. ağları, elyafları yada tabakaları yanlış yönlendirme, birbirini yada teçhizatı itme yada birbirine yada teçhizata yapışma göstermektedir. Muhtemel uygulanabilir çözümler aşağıda olduğu gibidir: Ağlar: Genellikle bir AC ağı, yada çubukların yerleştirilmesinin zor olduğu durumlarda bazen körükler kullanılabilir. SSDC iyonlaştırma sistemi yüksek-hız ağlarda bu sorunu çözmek için özellikle tasarlanmıştır. Çubuklar sorunun meydana geldiği noktada yada bu konumun hemen önünde, örn. ağın silindirden çıktığı yerde yada düz torba yapan makinenin sıkış silindirlerinde genellikle ağın her yüzüne de yerleştirilir. Tabakalar: Tabakalar dizinleme esnasında birbirlerini itebilir yada birbirlerine yapışabilir. Statik yükleri gidermek için sürecin üstüne iyonlaştırıcı çubuklar yada körük yerleştirilebilir. Tabaka besleyicilerde, statik çekim çoklu tabaka toplamaya neden olur. Bu, tabakaların üst katmanlarına nüfuz etmek ve bunları ayırmak üzere iyonlaşmış hava palesi yaratan hava perdeleriyle çözülebilir. Bileşen Yapışması ve İtmesi Taşıyıcılarda yada kase besleyicilerde, küçük plastik bileşenler kemere yada kase besleyicinin yolunun içine yapışabilir, bu da etkisiz bir üretim akışına ve arıza süresine neden olur. Tercihen uzun menzil - iyonlaştırıcı çubuklar (örn. hava yardımlı yada darbeli DC li AC çubuklar) kullanımı bu sorunu çözebilir. Körükler de kullanılabilir. İyonlaştırıcı körükler genellikle taşıma sistemlerinde kullanılır. Monte edilmiş ısıtıcılı ve fan hız kontrollü yada uzun menzil darbeli DC teçhizatlı körükler parisonlarda kullanılabilir.

9 Kullanıcı / Personel Şokları Şirketler geliştirilmiş sağlık & güvenlik standartları kullandıkça bu artan biçimde anlamlı hale gelmektedir. Sorun iki biçimde meydana gelebilir: 1. Personel aşırı derecede yüksek yüklü maddeden bunlar üzerinden toprağa yük boşalttıkça şoklar alabilir. 2. Kullanıcılar kullanım esnasında yada yüksek düzeyde yüklü maddeye çok yakın olmak suretiyle yük alabilirler. Toprağa doğru bir yol, örn. metal bir nesne yada makine sunulduğunda, kullanıcılar genellikle elektrik şebekesi şoku aldıklarına inanarak vahşice yük boşaltımı yaparlar. Bu sorun, çubuklarla yada körüklerle maddeyi nötrleştirerek yada kullanıcıları uzun menzilli DC çubuklarla sürekli olarak nötrleştirerek ele alınabilir. Aşırı durumlarda her iki yöntem de birleştirilebilir. Elektrostatik Boşaltım (ESD) Bu sorun elektronik montajında, kurulumunda ve alan hizmetinde ve elektronik bileşen imalatında meydana gelir. 5 Volt kadar düşük voltajlar bileşenlerin felaket derecesinde arıza yapmasına yada sonra alan arızasıyla sonuçlanacak olan potansiyel hasarlara neden olabilir. Elektronik sanayi bu sorunu öncelikle işyerinde ve paketlemede iletken yada statik kaybedici maddeler kullanarak ele almaktadır. Bu malzemelerin hepsi aynı elektriksel potansiyele toprakla bağlıdır, dolayısıyla potansiyel farklılıklar ve ardından gelecek yük boşaltımı ihtimalini ortadan kaldırmaktadır. Ancak bu gibi maddelerin uygulamada kullanılamadığı birçok örnek bulunmaktadır, örn. maddelerin kirlenmeye neden olabileceği kirli odalar. Dengeli darbeli DC iyonlaşma, dengeli iyonlaşmış körük kullanarak ve hem uzun menzil hem de ayrıştırılmış nötrleştirme vererek, özellikle bu durumlar için tasarlanmıştır. Körükten gelen çıktı eşit sayıda pozitif ve negatif iyonların üretilmiş olmasını temin etmek üzere sürekli gözetlenmektedir. Ürünler birkaç voltluk toprak potansiyeli dahilinde nötrleştirilebilir, bu da nispeten düşük voltajlarla hasar riskini büyük ölçüde azaltır.