異物附著對策的Q&A

彙整了靜電對策的基礎知識、靜電引發的故障或破壞,以及關於靜電消除器的常見Q&A。

異物、灰塵會附著於物體有各種不同的原因,而靜電也是導致異物附著的原因之一,且有著深切的關係。

  1. 異物附著於金屬體(導體)的原理

    一旦有帶電的物質(異物或灰塵)靠近金屬體(導體),金屬體(導體)中將會產生「靜電感應」,而金屬體(導體)內的自由電子會往物體表面移動,因此物體表面會呈帶電的狀態。
    此靜電感應的電位與異物、灰塵等的靜電將產生庫倫力,而此庫倫力會產生相互吸引的作用導致異物「附著」。

    異物附著於金屬體(導體)的原理
    1. A:金屬體
    2. B:帶電的異物
  2. 異物附著於絕緣體的原理

    當附著的目標物為絕緣體時,就如同磁鐵的N極與S極會相互吸引,帶有相反極性靜電的異物、灰塵會因為庫倫力而「附著」。

    異物附著於絕緣體的原理
    1. A:絕緣體
    2. B:帶電的異物

異物、灰塵會附著於金屬體的原因,就如Q1所述,是因為帶電的異物、灰塵靠近金屬體而產生靜電感應,因此即使對金屬體採取接地的對策仍舊會產生靜電感應,所以此方式對於解決異物、灰塵的附著並沒有效果。

異物、灰塵附著的原理視目標物為金屬體(導體)或絕緣體而異,因此(參閱Q1)計算其相互吸引的作用力強弱的方法當然也不同。

  1. 附著於金屬體(導體)時

    如下圖所示計算金屬體內電荷Q[C]的點電荷靠近d[m]位置時的吸引力。金屬體內部會因為金屬體的靜電感應而產生與越來越接近的點電荷一樣具有相同靜電力的點電荷−Q[C]。此現象稱為「鏡像電荷」,而該作用力則稱為「鏡像力」。

    鏡像力
    鏡像力
    公式
  2. 附著於絕緣體時

    若是薄膜或薄板材等表面積與質量的比例較大的物體,其庫倫力會比作用於該物體的重量還要大。右圖為帶電的粒子被吸引到薄膜表面而附著的機制。

    對帶電粒子作用的吸引力
    對帶電粒子作用的吸引力

    當絕緣體的薄膜表面有帶電時,假設表面的電荷密度為σ[C/m2],電場為E=σ/2ε0[V/m],帶電的異物、灰塵的電荷量為Q[C],此時靠近的異物、灰塵會因F=Qσ/2ε0[N]的作用力而被吸引到帶電面。

    公式

【例】

摩擦絕緣體的薄板表面時,每一單位面積的電荷量大約為10-5[C/m2],因此若套用到公式,則此時帶電體表面的電場強度大約為F=5.65×105[V/m]。
假設此時有直徑1 μm左右且帶有表面電荷10-5[C/m2]
的異物、灰塵靠近。由於此異物、灰塵帶有的電荷量為3.14×10-17[C],因此異物、灰塵的吸附力大約為F=5.65×105×3.14×10-17=1.8×10-11[N]。若假設此異物、灰塵的比重約為2至3,就等同於被重力的1200至1700倍的力量吸引。
所以薄膜表面有異物附著時不容易移除,是因為有如此強大的吸附力起作用。

如Q1所述,異物之所以會附著於金屬體(導體),是因為帶電的異物、灰塵靠近金屬體(導體)時金屬體(導體)內部發生靜電感應所致。
靜電感應是即使實施接地也會發生的現象,因此在金屬體(導體)端採取靜電對策也無法期待任何效果。
根據上述內容,對附著的異物、灰塵採取除靜電對策固然重要,但由於現實中要對漂浮於大氣中的異物、灰塵消除靜電,於執行上有困難,因此消除環境空氣(整體空間)中的靜電(打造可隨時消除靜電的環境)是一般的解決方法。

整體空間消除靜電的範例
整體空間消除靜電的範例

異物、灰塵附著於絕緣體的原因,是由於彼此都有帶電,因此庫倫力不會起作用,故可期待消除靜電的效果。
具體方法來說,與其對異物、灰塵消除靜電,消除目標物的靜電效果更高。

理由

絕緣體所帶的電荷量與一個個異物、灰塵所帶的電荷量相較之下,目標物所帶的電荷量絕對大許多,也因此庫倫力當然比較大,故消除目標物的靜電能期待獲得更高的效果。

此外,通常消除目標物的靜電會比消除大氣中漂浮的異物、灰塵的靜電更容易,這也是靜電效果值得期待的原因。

靜電感應是指在如同金屬體(導體)般能讓電流導通的物質上所產生的現象。此現象就如下圖所示,一旦帶電的物質靠近,金屬體(導體)內部的電子就會移動,而金屬體(導體)表面部分所帶的靜電正好會與帶電物質的極性呈相反的狀態。

靜電感應的原理

■ 一旦帶正電的帶電物靠近・・・
 一旦帶正電的帶電物靠近・・・

電子會聚集到金屬體的表面,使金屬體表面變成帶負電的狀態。

■ 一旦帶負電的帶電物靠近・・・
一旦帶負電的帶電物靠近・・・

電子會離開金屬體的表面,使金屬體表面變成帶正電的狀態。

空氣噴槍是以噴出壓縮空氣的方式將附著的異物吹除,也是通常最普遍被採用的對策,雖然可獲得某個程度的效果,但由於並非去除了附著的主因「靜電」,因此吹除後的異物仍可能會再次附著。

在這種情況下,若採用空氣噴槍與靜電消除器併用的方法,就能夠達到更佳的效果。(使用空氣噴槍吹除的同時也進行靜電消除,即可去除導致再次附著的靜電,是吹除異物、灰塵同時消除靜電的方法)

■ 使用範例(1)
使用範例(1):在手持式噴槍上加裝靜電消除器,即可在進行空氣沖洗的同時進行靜電消除。還可同時藉由噴出強力氣流來吹除灰塵。

在手持式噴槍上加裝靜電消除器,即可同時進行空氣沖洗與靜電消除。還可同時藉由噴出強力氣流來吹除灰塵。

■ 使用範例(2)
使用範例(2):藉由對靜電消除器注入空氣來吹除容器內的異物。從靜電消除棒整體吹出空氣,可消除大範圍的靜電與灰塵。

藉由對靜電消除器注入空氣吹除容器內的異物。從靜電消除棒整體吹出空氣,可消除大範圍的靜電與灰塵。

壓縮空氣加上靜電消除器一併使用的方式有以下優點:

  1. 將因為同時消除靜電而使異物、灰塵更容易吹除
  2. 由於在吹除異物、灰塵的同時也一併去除了主要導致再次附著的靜電,因此可防止異物、灰塵再次附著。

雖然不是所有的異物、灰塵都能達到相同的結果,但以下介紹的資料可供參考。

靜電消除器使用效果範例

方法在空氣浴塵室內加裝靜電消除器。灰塵的靜電被靜電消除器消除後將會離開人體。若沒有加裝靜電消除器,灰塵將會黏在人的身上一併被帶入無塵空間內,導致無塵度下降。

靜電消除器使用效果範例

確認靜電消除器效果的方法為計算被去除的灰塵量,在空氣浴塵室內貼上膠帶,再量測膠帶上附著的毛髮量。上示圖表是在膠帶大小統一,且黏貼位置、更換週期(1天2次)固定的條件下量測一個月後的結果。(量測期間人員的的進出狀況與往常相同)

靜電消除器ON/OFF時
空氣浴塵的除塵效果差異
(代表例:以10 mm以上的毛髮附著量進行量測)

確認靜電消除器效果的方法

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