تخلیه الکتریکی چیست و چه خطراتی دارد؟

خواندن این مطلب 8 دقیقه زمان میبرد

تخلیه الکتریکی (Electric discharge) جهش بار الکتریکی (الکترون) از الکترود پتانسیل بالا به الکترود پتانسیل پایین، در یک محیط عایق مانند گاز، مایع یا جامد است. هنگامی که الکترون های خارج شده از الکترود با پتانسیل بالا با الکترود دیگر اتصال داده می شوند، جرقه قوی و صدای مشخص مشاهده می شود. هنگامی که تخلیه الکتریکی ایجاد می شود، میدان الکتریکی قوی باعث تحریک ذرات هوا (مانند نیتروژن، اکسیژن) می شود.

هنگامی که ذرات به اندازه کافی یونیزه می شوند تابش الکترومغناطیسی رخ می دهد. در حالی که تجزیه رخ می دهد انرژی ذرات آنقدر زیاد است که به نظر می رسد نور از کانال تخلیه سفید وارد سایه آبی می شود. این سایه آبی همچنین به معنای ایجاد اشعه ماوراء بنفش (با طول موج کمتر از ۴۰۰ نانومتر) است. مشاهده این ناحیه از امواج الکترومغناطیسی امکان ثبت فرایندهای پیش تخلیه را فراهم می کند.

تخلیه های الکتریکی با انواع مختلفی، به طور گسترده در طبیعت و در کاربردهای صنعتی وجود دارد. تحت شرایط خاص، یک تخلیه الکتریکی می تواند به شکل دیگری نیز تبدیل شود. تخلیه های الکتریکی در هوا به طور گسترده در طبیعت و صنعت وجود دارد و استفاده می شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

فهرست مطالب

تخلیه الکتریکی چیست

دانش ما در مورد تخلیه های الکتریکی هنوز محدود است و بسیاری از سوالات هنوز حل نشده است. بگذارید شایع ترین و مشهورترین پدیده تخلیه الکتریکی یعنی رعد و برق را به عنوان مثال در نظر بگیریم. چند صد سال از انجام آزمایش های بنیامین فرانکلین بر روی صاعقه می گذرد.

با این وجود، یکی از اساسی ترین و مهمترین سوالات این است که چگونه صاعقه آغاز می شود. امروزه تخلیه های الکتریکی اغلب برای تولید پلاسما در دمای پایین در آزمایشگاه استفاده می شوند. این تخلیه ها کاربردهای بیشماری در زمینه های مختلف مانند میکروالکترونیک، طیف سنجی سطحی، عقیم سازی بیولوژیکی مواد، جوشکاری، برش فلزات و غیره یافته اند.

تخلیه الکترواستاتیکی چیست

تخلیه الکترواستاتیک (ESD) به عنوان انتقال سریع و خود به خودی بار الکترون ساکن ناشی از میدان الکترواستاتیک بالا تعریف می شود. تخلیه الکترواستاتیک همچنین تجمع بار در یک منطقه خاص بدون جریان جاری است. تعریف دیگر تخلیه الکترواستاتیک افزایش غیرقابل کنترل استاتیک بین اجسام با پتانسیل ولتاژ متفاوت است. بار الکتریکی از طریق جرقه ای بین دو جسم رسانا با پتانسیل های الکترواستاتیک مختلف هنگام نزدیک شدن به یکدیگر جریان می یابد.

ما هر روز وقوع تخلیه الکتریسته ساکن را تجربه می کنیم. به عنوان مثال، قدم زدن در امتداد یک فرش در یک اتاق گرم در زمستان، الکتریسیته ساکن کافی را تولید می کند تا وقتی دستگیره در را لمس می کنیم، تجربه ای تکان دهنده به ما بدهد. در حالی که این تخلیه ناگهانی الکتریسیته ساکن هیچ آسیبی به بدن انسان نمی رساند، اما می تواند برای دستگاه های الکترونیکی حساس بسیار مضر باشد.

بهتر است بدانید

تخلیه الکترواستاتیک زمانی اتفاق می افتد که جریان الکتریسیته بین دو جسم که دارای بار الکتریکی هستند، به طور ناگهانی با تماس این دو جسم رخ دهد. تخلیه الکترواستاتیک به این دلیل اتفاق می افتد که الکتریسیته ساکن بین دو جسم ایجاد شده است. الکتریسیته ساکن می تواند بین اجسام به دلیل شارژ مجدد یا القای الکترواستاتیک ایجاد شود. معمولا هنگام تخلیه الکتریکی، جرقه ای از برق بین دو شی دارای بار الکتریکی که به هم نزدیک شده اند، بوجود می آید.

در واقع، تخلیه الکترواستاتیک می تواند جرقه های الکتریکی شگفت انگیزی را ایجاد کند. در دنیای طبیعی، آذرخشی که با صدای غرش قوی همراه است، یک رویداد تخلیه الکترواستاتیک بزرگ است. در مواقع دیگر، تخلیه الکتریکی ممکن است جرقه یا نویز ایجاد کند. با این حال، حتی در صورت عدم توجه، تخلیه الکترواستاتیک همچنان می تواند باعث آسیب به وسایل الکترونیکی شود.

سطوح آگاهی انسانی از تخلیه الکتریکی چقدر است

اگر تخلیه بیشتر از ۳۵۰۰ ولت باشد، آن را احساس می کنیم.
اگر بیش از ۵۰۰۰ ولت باشد، صدای تخلیه را می شنویم.
اگر بیش از ۸۰۰۰ ولت باشد، تخلیه را مشاهده می کنیم.

انواع تخلیه الکتریکی

دیدنی ترین شکل تخلیه الکترواستاتیک جرقه است. جرقه زمانی رخ می دهد که یک میدان الکتریکی قوی، یک مسیر رسانای یونیزه در هوا ایجاد کند. اگر هوا حاوی گازها یا ذرات قابل احتراق باشد، این تخلیه الکترون می تواند باعث ناراحتی جزئی برای افراد، آسیب به تجهیزات الکترونیکی و آتش سوزی و انفجار شود.

جرقه می تواند قابل مشاهده و شنیدن باشد. اما بسیاری از رویدادهای تخلیه های الکتریکی بدون جرقه ای قابل مشاهده یا صدا رخ می دهند. شخصی که بار الکتریکی نسبتا کمی حمل می کند، ممکن است تخلیه ای را احساس نکند که برای آسیب رساندن به قطعات الکترونیکی حساس کافی باشد. برخی از وسایل الکترونیکی ممکن است در اثر تخلیه کوچک ۳۰ ولت نیز آسیب ببینند.

اشکال نامرئی تخلیه الکترواستاتیک می تواند باعث خرابی کامل دستگاه یا خرابی جزیی شود که ممکن است بر عملکرد طولانی مدت دستگاه های الکترونیکی تأثیرات منفی بگذارد.

مشهورترین نمونه تخلیه الکتریکی طبیعی، صاعقه است. صاعقه به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی بین ابر و زمین، یا بین دو ابر اتفاق می افتد و معمولا صدها میلیون ولت بار الکتریکی دارد. نوع دیگر تخلیه الکتریکی، قوس الکتریکی می باشد که توسط شیمیدان انگلیسی همفری دیوی کشف شد.

تخلیه الکتریکی چگونه ایجاد می شود

تخلیه الکترواستاتیک می تواند به اشکال مختلفی ایجاد شود. یکی از رایج ترین آنها از طریق تماس انسان با دستگاه های حساس اتفاق می افتد. تحقیقات اخیر نشان داد که بدن و لباس های انسان قادر به ذخیره بین ۵۰۰ تا ۲۵۰۰ ولت الکترون ساکن در روزهای عادی هستند. این مقدار بسیار بالاتر از سطحی است که می تواند به مدارهای حساس آسیب برساند. ولی این مقدار در زیر آستانه ادراک انسان قرار دارد، بنابراین ممکن است متوجه تخلیه الکتریکی نشوید.

چگونه می توان از تخلیه الکتریکی در وسایل حساس جلوگیری کرد

بعید است بتوانید تخلیه الکترواستاتیک را به طور کامل حذف کنید. با این حال، تجربه نشان داده است که دستورالعمل های زیر می توانند در کاهش آنها مفید باشند.

تمام مواد مصنوعی را حداقل ۴ اینچ از تجهیزات الکترونیکی حساس دور نگه دارید.
هنگام تمیز کردن تابلوهای مدار چاپی، از اسپری استفاده کنید که برچسب غیر استاتیک دارد.
هنگام عیب یابی تجهیزات الکترونیکی، همیشه از یک مچ بند استاتیک استفاده کنید که به قاب دستگاه چسبیده باشد.
فرش و کف را با ترکیباتی که تجمع بارهای استاتیک را کاهش می دهند، پاک کنید.

الکتریسیته ساکن چیست

تجمع بارهای مثبت یا منفی بر روی مواد عایق یا رسانا را الکتریسته ساکن می گویند. این بارها می توانند بر اساس ظرفیت ذخیره شده برخی از مواد نسبت به مواد دیگر، متفاوت باشند. کلمه استاتیک به سادگی به این معنی است که بار را نمی توان با نیروی الکتروموتور یکسان کرد یا انتقال داد تا زمانی که ظرفیت بین دو جسم کاهش نیافته باشد.

یک مثال از تجمع الکتریسته ساکن می تواند دست شما باشد (که ممکن است بار منفی داشته باشد) که به دستگیره در نزدیک می شود (که ممکن است بار مثبت داشته باشد). با نزدیک شدن دست به دستگیره در، ظرفیت بین جسم و دست کاهش می یابد. این امر باعث ایجاد جریان بین دست شما و دستگیره در می شود. این انتقال به عنوان تخلیه الکترواستاتیک یا ESD شناخته می شود.

رعد و برق چیست

رعد و برق یک پدیده طبیعی تخلیه الکترواستاتیک است که توسط دو ابر نزدیک بهم، دارای بار الکتریکی در اتمسفر یا بین ابرهای دارای بار الکترواستاتیک و زمین رخ می دهد. به دنبال این تخلیه الکتریکی رعد و برق روی زمین با صدای قابل توجهی ایجاد می شود. آذرخش ممکن است یک میلیارد ژول انرژی آزاد کند.

رعد و برق یک تخلیه الکتریکی به شکل چشمک زن و جرقه در ابرهای شارژ شده است. یک رعد و برق شامل چندین ضربه است. تعداد ضربه ها در یک رعد برق حدود ۴ تا ۴۰ است. این پدیده یک تخلیه الکترواستاتیک طبیعی قوی است که در هنگام طوفان ایجاد می شود. جریان الکتریکی که از کانال های تخلیه عبور می کند و به سرعت گرم می شود و هوا را به پلاسما تبدیل می کند و امواج شوک صوتی (رعد و برق) را در جو ایجاد می کند.

خطرات تخلیه الکتریکی

تخلیه الکتریکی شدید مانند رعد و برق می تواند افراد را بکشد یا باعث ایست قلبی شود. آسیب های وارد بر اثر رعد و برق می تواند از سوختگی شدید و آسیب دائمی مغز تا از دست دادن حافظه و تغییر شخصیت متغیر باشد. حدود ۱۰ درصد از قربانیان صاعقه کشته می شوند و ۷۰ درصد نیز از عوارض جدی درازمدت رنج می برند.

تخلیه الکتریکی در گازها

قوس الکتریکی نوعی دیگر از تخلیه الکتریکی است که بین الکترودها در حضور گازها اتفاق می افتد. در قوس الکتریکی، الکترونها از کاتد گرم شده ساطع می شوند. قوس های الکتریکی می توانند در فشارهای زیاد و در گازهای مختلف تشکیل شوند. قوس های الکتریکی برای تولید لامپ های بسیار درخشان، کوره ها، برش و جوشکاری و به عنوان ابزارهایی برای تجزیه و تحلیل طیف شیمیایی استفاده می شوند.

قوس الکتریکی برای اولین بار در سال ۱۸۰۸ توسط شیمیدان انگلیسی همفری دیوی کشف شد، هنگامی که دو میله کربنی که جریان الکتریکی را هدایت می کردند، از هم جدا کرد. او مشاهده کرد که جریان الکتریکی، گاز را گرم کرده و آن را به شکل قوس منحرف می کند. خصوصیات معمول یک قوس الکتریکی شامل شیب پتانسیل نسبتا کم بین الکترودها (کمتر از چند ده ولت) و چگالی جریان زیاد (از ۰.۱ آمپر تا هزار آمپر یا بیشتر) است.

گازها از مولکول های خنثی تشکیل شده اند. بنابراین، عایق های خوبی هستند. گازها، الکترون های آزاد که می توانند به راحتی حرکت کنند و جریان الکتریکی را تشکیل می دهند، ارائه نمی دهند. با این حال، در شرایط خاص، جریان الکتریکی می تواند از گازها عبور کند. چندین پدیده ای با تخلیه الکتریکی در گازها همراه است. قوس الکتریکی یک میدان الکتریکی با شدت حدود ۳۰،۰۰۰ ولت بر سانتی متر ایجاد می کند که الکترون ها را از مولکول های هوا جدا کرده و به جریان در می آورد.

جالب است بدانید

برای قوس الکتریکی، دو شرط لازم است. اول، گاز خنثی باید بارهایی ایجاد کند یا آنها را از منابع خارجی یا هر دو قبول کند. دوم، باید یک میدان الکتریکی برای ایجاد حرکت جهت بارها وجود داشته باشد. یک اتم یا مولکول باردار یا یون می تواند مثبت یا منفی باشد. الکترون ها بارهای منفی هستند. در دستگاه های الکتریکی، یک میدان الکتریکی بین دو الکترود به نام آند و کاتد از مواد رسانا تولید می شود.

فرآیند تبدیل اتم یا مولکول خنثی به یون را یونیزاسیون می نامند. گاز یونیزه شده پلاسما نامیده می شود. هدایت در گازها از هدایت در جامدات و مایعات متمایز است، زیرا گازها نقش فعالی در این فرآیند دارند. گاز نه تنها اجازه عبور شارژهای آزاد الکتریسته را می دهد، بلکه ممکن است باعث ایجاد بار نیز بشود.

ماشین کاری تخلیه الکتریکی چیست

هر زمان که روش های سنتی ماشینکاری قابل استفاده نباشد، تولیدکنندگان اغلب به ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) روی می آورند. فرایند EDM شامل استفاده از انرژی الکتریکی برای حذف مواد اضافی از یک جسم و ایجاد شکل مورد نیاز برای تولید یک محصول است. مهندسان برای ایجاد قطعاتی که با ماشینکاری سنتی امکان پذیر نیست، به این فرایند تکیه می کنند. ماشین کاری تخلیه الکتریکی اولین بار در سال ۱۷۷۰ توسط جوزف پریستلی کشف شد.

ماشین کاری تخلیه الکتریکی به ویژه در تولید حجم کم مشهور است. چندین فرآیند با استفاده از این روش امکان پذیر است. این فرایندها شامل فرز کاری، تراشکاری، حفاری سوراخ های کوچک و موارد دیگر است. این فرایند منحصر به فرد برای طیف وسیعی از صنایع اعم از خودرو تا صنعت هوافضا ارزشمند است. در ساخت ابزار و قالب، EDM به دلیل کاربردی که دارد، مخصوصا برای مواد سخت مانند تیتانیوم یا اشکال پیچیده ای که دستیابی به آنها دشوار است، بسیار محبوب است. به بیان ساده، EDM یک فرایند تولید است که با استفاده از الکترود، ترکیبات را از مواد رسانا به طور دقیق حذف می کند.