Staatiline elekter - sõber või vaenlane?
Staatilise elektri olemus
 Küllap on igaüks meist tunda saanud elektrilööki sealt, kus elektrit üldse ei peaks olema, näiteks ukselingilt, autoukselt, kraanikausilt, teiselt inimeselt. Mõnikord käib löögiga kaasas kõrvaga kuuldav heli. See on nagu miniäike meie elus. Inimene, kes tihti tunneb elektrilööki, teab tavaliselt juba ette, et nüüd ta saab "särtsu". See võib teha ta ettevaatlikuks ning närviliseks. Just seetõttu võibki staatilist elektrit pidada keskkonda saastavaks nähtuseks. "Särtsu" kogenu püüab seda vältida. Ta puudutab ust enne avamist kiiresti sõrmega või läbi varruka, avab ukse küünarnukiga või tõukab selle küljega lahti. Teisele inimesele terekätt andes ei oska me tavaliselt aimatagi, et võime saada tugeva elektrilöögi, mis meid ebameeldivalt üllatab ja võpatama paneb. See on omamoodi naljakas, aga ometi ebameeldiv, eriti kui juhtuv on ette teada.
Kõike kirjeldatut põhjustab staatiline elekter, mis tekib materjalide hõõrdumisest. Seda oleme kõik juba koolis õppinud, füüsika elektriosa algaski staatilise elektriga. Näiteks kirjeldatakse kassi pimedas silitamist või näidatakse, kuidas pärast juuste kammimist väikesed paberitükid kammi külge hüppavad. Tuli meelde? - Et staatilist elektrit tunda, on vaja 3000-voldist laengut
- Et kuulda, on vaja 4000-voldist laengut
- Et näha, on vaja üle 5000-voldist laengut
Tabel 1. Tekkiva laengu suurus mõne tegevuse näitel
Nagu eespool öeldud, tekib staatiline elekter kahe materjali hõõrdumisel. Nende teineteisest eraldamisel saab üks neist positiivse ja teine negatiivse laengu. Laengu polaarsuse määrab nende ainete omavaheline asukoht nn. triboelektrilises reas. Staatiline laeng võib tekkida ka siis, kui kaks isoleermaterjali teineteisest eraldada (näiteks kahte plastkilet või kui tõmmata rullist plastlinti). Vt joonist.
Joonis 1. Laengute tekkimine teibirullis
Tihti moodustab laeng nullpotentsiaaliga esemel ka induktsioonülekande teel teiselt laengut omavalt materjalilt. Näiteks arvuti- või telerikraani ees olevatele esemetele või operaatorile võib üle kanduda potentsiaal pingega umbes 10 000 V. Mõõtmised näitavad arvutiekraani potentsiaaliks 18 000-20 000 V. Selle laengu "maandussurinat" kuuleme siis, kui sõrmega ekraani puudutame või sealt tolmu pühime. Tolmu koguneb ekraanile rohkem kui kõrval olevatele esemetele. Põhjuseks on staatiline elekter. Naistele on kindlasti tuttav olukord, kui kleit või seelik tõmbub ümber säärte, eriti talvel, kui mantel seljast võtta. Taas üks staatilise elektri ebameeldiv külg. Laengute suurus meie kehal võib ulatuda 5000 voldini, nende suurus sõltub ka õhu suhtelisest niiskusest. Külma talve korral on keskküttega korteri õhuniiskus umbes 30-35 %. Mida väiksem on õhuniiskus, seda suurem potentsiaal koguneb meie kehale. Kõige ohtlikumad kuud on talvekuud novembrist veebruarini, vähemohtlikud juunist septembrini (tänavune suvi oli ka selle poolest erand). Staatilist laengut tunnevad inimesed erinevalt. Mõni on väga tundlik, teine ei tunne midagi, see oleneb naha elektrijuhtivusest.
Staatiline elekter tööstuses
Tööstuses põhjustab staatiline elekter, õigemini staatilise elektrilaengu "maandumine" või potentsiaalide ühtlustumine märgatavaid probleeme ja kahju ning selle nähtuse ärahoidmiseks ja ennetaiseks tehakse suuri kulutusi. Üks põhiline tööstusharu, kus puututakse kokku ESD-ga (lühend inglise keelest - Electrostatic Discharge) on elektroonikatööstus. ESD võib põhjustada praaki elektroonikakomponentide veol, ladustamisel, tootmisprotsessis, seadme häälestamise ja hooldusremondi ajal. Tootja jaoks on kõige kahjulikum, kui viga ilmneb pärast seda, kui toodet on juba mõnda aega kasutatud. Sel juhul on staatilise elektri laeng oma töö teinud tootmistsüklis, tuleb ilmsiks aga alles mõne aja pärast tarbija käes. Elektroonikaseadet kahjustab just staatilise laengu potentsiaalide kiire ühtlustamine eri komponentide vahel. Et tänapäeval on ühes kiibis ligi 100 miljonit transistori ja ühendusrajad nende vahel on 0,0005-0,0007 mm laiused, on arusaadav, et isegi 100-voldise staatilise potentsiaali kiire ühtlustumine on neile ohtlik. Inimene oma nahaga ei tunneta, elektroonikaseade on aga juba rivist väljas. Siin tuli juurde mõiste "kiirus". Määrav on just nimelt potentsiaalide ühtlustumise kiirus. Kui ESD siirdub juhtivasse materjali, saab just see viga . Kui laengu siirdumine ei ole kontrollitud, tekib väga tugev vooluimpulss – 40 000 V potentsiaali korra kuni 70 A, seda väga lühikese aja (10-20 nanosekundi) jooksul.
Joonis 2. ESD-vool, kui staatilise potentsiaaliga inimene puudutab maandatud metallobjekti metallesemega.
Mikroelektroonikas muutub ka üle 30 V laeng mõne komponendi puhul ohtlikuks. Et me elektroonikaseadmeile ohtlikke laenguid ei tunneta, on kõike seda raske uskuda. See esitab väljakutse meie teadmistele. Et neid potentsiaale, pingeid ja protsesse demonstreerida, piisab tavalisest audiovisuaalsetest vahenditest. Toome ühe näite praktikast. Klient helistas, et ühel töökohal saab töötaja pidevalt elektrilööki ja keegi ei taha seal enam olla. Pärast täpsustavaid küsimusi selgus, et tegu saab olla ainult staatilise elektriga. Töökohal täideti madratsikotte poroloonitükkidega ja õmmeldi kotte kinni. Kotti täideti tolmuimeja põhimõttel umbes 100-mm plasttoru kaudu. Mõõtmised töökohal näitasid et siis, kui kott täis sai, oli ühel hetkel töötaja elektrostaatiline potentsiaal 35 000 V. Seejärel pidi ta koti elektrimasinaga kinni õmblema. Masin oli nõuetekohaselt maandatud. Sel hetkel, kui töötaja puudutas õmblusmasina metallkeret, siirdus staatiline laeng kiiresti masinasse. Ventilaatorimürale vaatamata oli see ka kõrvaga sellelt kuulda. Puudutuse hetkel sattus töötaja tugeva lühiajalise vooluimpulsi all, nii et ta toolil lausa hüppas. Töötsüklist tulenevalt toimus see iga paari minuti tagant. Paneb imestama, et keegi oli sellel kohal üldse nõus töötama.
Joonis 3. ESD-voolu graafik, kui staatilise potentsiaaliga inimene puudutab maandatud metallobjekti sõrmega.
Pärast konsulteerimist ja vajalike abinõude rakendamist muutus tööoperatsioon normaalseks. Laengu siirdumisest lahti saada ei olnud võimalik, aga selle sai kontrolli alla võtta ja aeglaseks muuta, nii et töötaja seda enam ei tundnud. Transpordi puhul (puistained, vili, kütus) võib staatiline elekter põhjustada plahvatust ja tulekahju, sest laengu siirdumisega kaasneval sädemel on selleks küllaldaselt võimsust.
|
POSITIIVSELT LAETUD (+)
õhk
nahk
asbest
karusnahk
klaas
juuksed
nailon
vill
siid
alumiinium
paber
puuvill
teras
kumm
nikkel
vask
hõbe
kuld
asetaatkiud
polüester
polüuretaan
polüeteen
polüpropeen
PVC (polüvinüülkloriid)
silikoon
tefloon
silikoonkumm
NEGATIIVSELT LAETUD (-)
|
ESD-standardid
ESD-standardite nõudeid tuleb arvesse võtta arvutiruumides, lennujuhtimiskeskustes, haiglates, elektroonikatööstuses, remondi- ja hoolduskeskustes. Standardites on elektriohutusnõudeid silmas pidades määratud materjalide juhtivuse ülem- ja alampiirid, nii et staatiline laeng maandaks ning inimene oleks võrgupinge alla sattumise korral kaitstud. Välja on töötatud ESD-materjalide pindjuhtivuse ja maa suhtes juhtivuse standardid SFS EN 100015-1. Pakkematerjalidele esitatavad ESD-nõuded leiduvad standardis ANSI/EIA-541 (1988). Standardiseeritud on ka ESD-materjalide ja ESD-kaitsesüsteemide mõõtmis- ja kontrollimismeetodid. ESD-kaitsesüsteemidega varustatud tööpiirkonnad peavad olema eraldatud ja märgistatud standardikohaste siltide ja viidetega. ESD-kaitsesüsteemide hulka kuuluvad põrandakatted (just ESD-, mitte antistaatilised katted), töökohamatid, randmevõrud, kontroll- ja mõõteseadmed, signalisaatorid, ionisaatorid, ESD-pakkematerjalid jpm.
Eespoolöeldu põhjal tundub, nagu oleks ESD puhul tegemist vaid halva vaenlasega. Õiges kohas kasutamise korral on sellel ka omad head küljed (kasutatakse tööstuses, näiteks pulbervärvimisel), aga see on juba omaette teema. Staatiline elekter on nii sõber kui vaenlane. Kõik sõltub meie vajadustest ja oskustest nähtusi kasutada.
Põhjalikumaid selgitusi ja teadmisi ESD kohta saate, kui pöördute AS Elmatik poole. Tänu pikaajalistele kogemustele ja oskusteabele saame anda teile nõu ja korraldada koolitust, aidata tellida ja osta vajalikke materjale seadmeid. Kui usaldate oma ESDga seonduvad probleemid meile, lahendate need kõige kiiremini ja kindlamalt.
|
