Transkript
1 Statik elektrik dingin haldeki elektriği belirtir ve çevresindeki maddelerle etkileşen malzemenin yüzeyindeki elektriksel dengesizliktir. Bir atom ya da molekül elektron kaybettiğinde veya kazandığında bu dengesizlik oluşmaktadır. Normalde atomda proton ve elektron sayısı birbirine eşittir ama elektronlar kolayca bir atomdan diğerine geçebilmektedir. Eğer elektron kaybederse pozitif iyon, kazanırsa negatif iyon adını alır. Elektron (-)1.6x10 19 Coulomb yüke, proton ise bu yükün pozitifine sahiptir. Statik yük dengesiz elektrondaki fazla elektron sayısıyla orantılıdır. Coulomb fazla elektron miktarını temsil eden elektrik yükünün temel birimidir. Pozitif iyonun elektron eksiği vardır ve kolayca elektron alabilir, negatif iyonda da elektron fazlalığı bulunur. Her iki durumda da pozitif yükü nötrölüze edecek elektron bulunmaktadır. Bir cismin sürtünme ile elektriklenmesi yaklaşık olarak 2700 yıldan beri bilinmektedir. Bilhassa naylon miktarı fazla olan kazaklar giyilirken veya çıkarılırken kıvılcımların oluşması elektrik yükünün hareketine bir örnektir. Yağmurlu havalarda bulutlarla yer arası veya buluttan buluta oluşan şimşekler de bir diğer örnektir. Uzun yıllara dayanan gözlemler sonunda sürtünme ile elektriklenme de iki tip elektrik yükü olduğu bulunmuştur. İpeğe sürülen bir cam çubuk diğer bir cam çubuğun yanına getirilirse çubuklar birbirini itecektir. Diğer taraftan kürke sürtülmüş bir plastik çubuk, aynı cam çubuğun yanına getirilirse onu çekecektir. ABD bilim adamlarından Benjamin Franklin( ), plastik çubukta oluşan elektrik yüküne (-) negatif ve cam çubukta oluşan elektrik yükün (+) pozitif terimlerini getirmiştir. Ben Franklin nin yıldırım çubuğu en önemli buluşlardandı. Günümüzde halen kullanılan bu çubuk, 250 yıl içinde değişme gösterdi ve çeşitli şekillerde kullanıldı. Örneğin; Fransa da 1970 e kadar, tüm binalarda kullanılan yıldırım çubukları radyum (226Ra) ile kaplıydı. Ucunda oluşan iyonizasyon fırtına bulutu olduğunda nötrölüzasyon akımını arttıracaktı. Her ne kadar en azından teoride bu doğru olsa da, çubuklar az miktarda radon ürettiler. Radyumun yarı yaşam süresi 1600 yıl olduğundan, eski yıldırım çubukları iyi bir sistemdir. Yıldırım çubuğundan başka, 20. yüzyılın başında elektrostatiğin ilk endüstri uygulamaları yapılmıştır.1906 da Frederick Cottrell elektrofiltreyi ya da Elektrostatic
2 Precipitator ı üretti. Yanan cisimlerden çıkan külleri tutarak çevre kirliliği oluşmasını engellemiştir. Elektrofiltreler bu olayın başlangıcıydı. Daha sonra çeşitli partikülleri birbirinden ayırmak için yöntemler bulundu, örneğin boya fışkırtmak için ya da kuru tabakalar (kumaş yada zımpara kağıdı için)üretmek için bulunan metotlar gibi. Hukukçu ve fizikçi Carlson patent ofisinde çalışıyordu, patent kâğıtlarının fotokopilerine ihtiyaç duyuldu. Carlson da fotokopi makinesi yapmaya karar verdi. Fotoiletken ve elektrostatiği kullanarak çalışma prensibini oluşturdu ama kimse çalışacağına inanmıyordu ve haklı çıktılar. Yıllar sonra elektrostatik olarak bilinen bu çalışmalar çok büyük etki yaratan Xerox la sonuç verdi larda Orta-Batı Amerika da tahıl ambarlarında patlamalar (haftada bir tahıl ambarı patlıyordu) yaşandı. Hastane operasyon odalarında ve laboratuarlarda patlamaların artmasıda statik elektriğe bağlandı. Elektrostatik deşarj bu tür patlamaların kaynağıydı.1950 ve 1960 larda yeni bir patlama türü ortaya çıktı. Yağ tankerleri yüksek basınçlı sularla yıkandığında çeşitli kazalara sebebiyet verdi. Patlayıcı buhar-hava karışımı hidrokarbon artığından gelse de, patlamanın sebebi hala bilinmiyordu. Nedeni homojen olmayan alan içinde suyun darbe vuruşları olarak görülüyordu. Statik elektrikteki olay sadece patlamalardan dolayı değildi.1930 larda tekstil endüstride olduğu gibi basım endüstrisinde de etkisini gösterdi. Kâğıtlar birbirine yapışıyordu, fiberler filtreleri tıkıyordu. Statik elektrik araba radyosunun çatırdamasına ya da bir şeye dokunduğunuzda çarpılmanıza neden oluyordu. Bunlar da lastiğe karbon karıştırılarak iletken hale geçmesi olayına önderlik etti ve 1950 lerde naylon ve teflon gibi malzemelerin üretilmesiyle, statik elektrik her gün kullanılan bir olgu haline geldi. İnsanlar statik elektriği giysilerin üzerimize yapışma yada su musluğuna dokunduğumuzda istenmeyen şoklara maruz kalma nedeni olarak algıladı. Ayrıca televizyon ekranın ya da monitörlerin kirlenmesine neden oluyordu. Halkın inanışına göre statik elektrik baş ağrısına neden oluyordu ve
3 atmosferdeki iyi negatifle kötü pozitif iyonların dengesiydi. Statik elektrik ufak bir ayrıntı olarak bilinmekte.1960 larda statik elektrik yeni bir sektöre sıçradı: ELEKTRONİK. Bazılarına göre Mosfetler elektronik devrinin başlangıcıydı. Mosfetlerden önce statik elektrik kendini hissettiriyordu ama bu bilinmiyordu. Elektrostatik (statik elektrik değil) elektronik dünyasına yerleştirilen bir uygulama değildi. Komplike elektronik devreler bozulduğunda, bazı elektronikçiler yükle elektrik alan şiddeti arasındaki ilişkinin (Şekil 4 te de gösterildiği üzere) bozulmaya neden olabileceğini savundular. Çoğu insana göre elektrostatik elektronik endüstride oldukça yeniydi. Elektrostatiği yeni bir alan olarak kabul ettiler ve ona yeni bir isim verdiler: Elektrostatik Deşarj (ESD).Günümüzde kıvılcım, korona, fırça ESD nın uygulamalarındandır. Statik Elektrik Üretimi Statiğin seviyesini bilmek nadiren olanaklıdır. Yüklerin asla üretilmediğini vurgulamak önemlidir. Atomdaki pozitif yükler (proton) ve negatif yükler (elektron)olarak açığa çıkarlar. Elektrik etkisi ise elektronlar bir atomdan bir diğerine geçtiğinde oluşur. Benzer ya da farklı iki madde birbirine değdirildiğinde maddelerden biri elektronlarını verip pozitif yüklenir, diğeri de aldığı için pozitif yüklenir. Bir maddeye aktarılan elektron miktarı oldukça büyüktür. Örnek vermek gerekirse un yada şeker gibi toz maddeler bir tübün içinden geçirildiğinde borunun duvarlarına yapışır. 100,000 dan 1 milyona kadar olan elektronlar her bir parçacığa transfer edilir. Halıyla kaplı bir zeminde yürüyen bir insan 10 7 C luk yükü olan bir kapı tokmağına dokunduğunda çarpılmaya uğrar. Borudan kayan toz halindeki maddelerin de 10 7 C kg 1lık yükü vardır. Bir parça bezi plastik bir dosyaya sürdüğümüzde 10 7 C lık bir yüke sahip olur.
4 Katıların Yüklenmesi : Triboelektriklenme Katılar arasında temas ve sürtünmeden dolayı oluşan yük ayrımı triboelektriklenme olarak bilinir. Şekil 1 deki A ve B cisimleri birbirine sürtünmüş ve yüzeyde elektron alışverişi olmuştur. Metaller İki malzeme metal olduğunda a triboelektriklenme olmaktadır. İki metal birbirine değdirildiğinde genliği onlardan birkaç V a değişen bir gerilim farkı oluşur. Eğer metaller iyi tanımlanmış metallerse temas potansiyel farkı iş fonksiyonlarından hesaplanabilir(metalden bir elektron almak için verilen enerji).metaller aniden ayrıldığında, aralarındaki yük alışverişi bir artış gösterir. Yalıtkanlar Yüksek yalıtkan maddelerde elektronlar yüzeye yakın bulunurlar. Metallerde olduğu gibi bu elektronların yapmış olduğu iş ölçülebilir. Deneyler eğer bir vakum ortamında yapılıyorsa ve yalıtkanın yüzeyi dikkatli bir şekilde hazırlanmışsa, yalıtkanlarla yapılan deneylerden verimli sonuç alınabilir Temasla Elektriklenme: Triboelektriklenme Serisi İki katı cisim arasındaki yüklenme olayında bir diğer önemli faktör permitivitidir. Permitivity dielektrik katsayısı ile elektrik alanın birbirine oranıdır. Aynı zamanda malzemenin polarize olma kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Eğer iyon yalıtkan yüzeyinde yüklenirse, yüzeyde polarizasyon kuvvetleri tarafından sıçrama olacaktır. Kuvvet ne kadar güçlüyse permitivitinin değeri o kadar yüksek olur. Bu Coehn's Yasası ndan çıkar(iki madde birbirine tema eder ve permitivitisi yüksek olan pozitif yükle yüklenir.)bu yasadan triboelektrik serisi oluşur. Tablo 1 triboelektrik serisini göstermektedir. Bu malzemelerin serisine dikkat edilmelidir. Çünkü malzemelerin sırası seriden seriye değişmektedir. Pozitif Uç Plastik Cam Bakalit Selüloz Nitratı Cam Kuvars Naylon Yün İpek Pamuk Kağıt Kehribar Resin Metal
5 Kauçuk Asetat Reyon Dacron Orlon Poliester Teflon Selüloz Nitratı Polyvinyl chloride Negatif Uç Akma ve Püskürtme Eğer sıvı yüzeyi değişirse, elektriksel çift katman(sıvı-katı, sıvı-gaz) değiştirilmelidir yoksa bozulur. Sıvı yüzeyindeki yükler mekanik hareketle alınabilir. Eğer sıvı bir tüp içinde akıyorsa, Şekil 3 te görüldüğü gibi dışarı yüklerin tübe akma eğilimi vardır ve içerideki yüklerde oluşan akıntı ile taşınır. Sonuç olarak yüksek yalıtkan sıvılarda (r > ca. 107 W m) akıntı ile yüklenme gözlenir. Su akıntı ile yüklenmez. Sıvı Akıntısı ile Elektrikleme Püskürtme ile de yükleme yapılabilir. Püskürtme ile Elektrikleme Toz Maddelerin Yüklenmesi Özellikle maddeler farklıysa (yapı ya da boyut olarak),tozlar sürtünme veya temasla yüklenebilirler. Böyle yüklenmiş malzemeler birbirine yapışır. Bu tür maddelerin borudan geçerken yüklenmesi ya toz maddenin ya borunun ya da her ikisinin yalıtkan olmasıyla olabilir.
6 Gazların Yüklenmesi Gaz molekülüne verilen kinetik enerji normal sıcaklıkta termal enerjiden daha düşüktür. Gazdan ya da kabın duvarından bir elektron koparmak için gereken seviye daha küçüktür. Elektrostatik Yükleme İletken üzerindeki elektrik alanın statik etkisini tanımlar. Örnekler A yalıtkanından gelen alan B iletkenindeki elektronların A ya bakan tarafına doğru hareket etmesini sağlar.bu elektronlar sınırda yük indükler.b A dan gelen alan içinde olmadıkça yük hareketi gerçekleşmez.b deki serbest yükler B den dışarıya elektrik alan çizgileri oluşturur. Eğer bu alan çizgileri B den toprağa giderse, B nin voltajını oluşturan pozitif bir şekil elde edilir. Böylece pozitif voltajlı yüksüz iletken elde etmiş oluruz. R1. Yüklü yalıtkandan gelen elektrik alan içindeki iletken R2. de Şekil R1. deki gibi aynı duruma sahiptir.bu sefer iletken topraklanmıştır.sonuç olarak B nin gerilimi sıfır olur.ama B sınırda negatif yüke sahiptir.eğer topraklama kaldırılırsa ve A dan uzaklaştırılırsa,b de negatif gerilim oluşturan negatif yükler bulunur. R2. Yüklü yalıtkandan gelen elektrik alan içindeki topraklanmış iletken
7 R3 te bir kullanıcı pozitif yüklü bir cisim tutmaktadır ve topraklanmış bir zemin üzerinde durmaktadır. Cisim üzerindeki yük indüksiyonla kullanıcıya tutunacaktır. Negatif yüke eşit pozitif yük pozitif voltaj oluşturacaktır. Operatördeki pozitif yükten gelen elektrik alan çizgileri toprağa gidecektir. Bir kısmı oraya bir kısmı da belki odanın duvarlarına gidecektir. R3. Yüklü ve Yalıtkan Bir Malzemeyi Tutan Operatör Böylelikle yüksüz bir insan bir parça yüklü malzeme tutarak yüklenmiştir. R4 te tehlikeli bir indüksiyon olayı vardır. Operatör toz maddeyi plastik bir çantadan patlayıcı bir madde(acetone) içeren bir konteynıra boşaltmaktadır. Topraklanmamış operatör iş başlamadan önce yüksüz durumdadır. Ama plastik çanta ona bir yük vermekte ve pozitif voltaj oluş-turmaktadır. Eğer operatör yanlışlıkla konteynıra (tank) dokunacak olursa, kıvılcımla beraber bir deşarj olayı olur ve operatör kötü bir şekilde yaralanabilir. R4. Güvenli Olmayan Bir Ortamda Yalıtkan Malzeme Tutan Bir Operatör Elektrostatik Çekim Yüksek statik yük ile çalışan ürünler üzerinde çalışma sırasında veya iş bitiminde tozlanma çok sık rastlanılan bir problemdir. Statik elektriğin yaratmış olduğu çekim alanı içerisine giren toz ve partiküller yüzey üzerine yapışarak baskıda, boyamada, tıbbi ve farmakolojik ürünlerde üretim esnasında hatalara, hattın yavaşlamasına ve firenin çoğalmasına neden olur. En önemlisi bu statik yük ile tozlanmış ürünlerin gıda sektöründe kullanılması ve gıda ile temas noktalarında hijyen ve sağlık problemleri ortaya çıkmasıdır. Bu da üretim yapan ve kullanıcıların kesinlikle kabul edemeyeceği bir durumu ortaya çıkarır. Elektrostatik Yapışma
8 Statik yük ile yüklenebilecek malzemelerin birçok makinede çeşitli taşıma ve aktarma yöntemleri olmasına rağmen ortaya çıkardığı problemler ortaktır. Yüklü malzeme taşıma sırasında metal yüzeylere yapışma, hareketli sistemlere dolanma, birlikte taşınan malzemelerde ilerletilememe gibi problemler çıkararak sistemin yavaşlamasına ve durmalara yol açar. Bu da üretici kişiler tarafından zaman ve para kaybı yaratması sebebiyle istenmeyen bir durumdur. Güvenlik Firmaların güvenlik tedbirleri ile ilgili hususlara verdikleri önem arttıkça, operatörlerin statik elektrikten kaynaklanan elektrik çarpması durumlarının da önemi artmaktadır. Bu tip elektrik çarpmaları acı verici olsa da, etkileri genellikle kısa sürelidir ve kolayca atlatılabilir. Uzun süre şoklara uğrama durumlarda personeli rahatsız eden ve dikkatinin dağılmasına sebep olan bir durum ortaya çıkacaktır. Bu problemlerin yanıcı ve patlayıcı maddeler ile çalışan makinelerde patlama ve yangın riskini arttırması da göz önünde bulundurulmalıdır. Elektrostatik Deşarj Bu problem, elektronik ile ilgili üretim bantları, bu üretim hatlarının kurulması ve ayrıca diğer elektronik bileşenlerin imali ile ilgilidir. Diğer endüstrilerde gerçek anlamda bir önemi olmayan 5 kv kadar küçük voltajlar elektronik komponentlerde veya daha da kötüsü tüm sistemde onarımı oldukça pahalı olabilecek veya üretimin uzun süre durmasına sebebiyet verecek çok ciddi hatalara yol açabilir. Statik Etkenler Static Electrikte Göz Önüne Alınması Gereken Etkenler Cismin Tipi Bazı cisimler diğerlerine göre elektrik yüklenme konusunda nispeten daha uygundurlar. Bir cismin triboelektrik serilerindeki göreli pozisyonu materyalin temasta bulunduğu diğer materyale bağlı olarak negatif veya pozitif elektrik yükleneceğini belirler. Nem Oranı Genelde çevrenin kuru olması daha yüksek seviyede statik yüklenmeye, nem oranının yüksek olması ise daha düşük seviyede statik yüklenmeye yol açar. Göreceli olarak su pek çok plastiğe göre çok daha iyi bir elektrik iletkenidir. Atmosferik nem, çevredeki tüm yüzeylerde küçük miktarlarda su depolanmasına yol açar ve bu nedenle cisimlerin yüzeylerindeki elektrik yükleri nem vasıtasıyla toprağa geçme eğilimi gösterirler. Tekrarlama Sürtünme veya izole etme gibi tekrarlanan faaliyetler o cisimdeki yüklenme seviyesini arttıracaktır. Örneğin, bir teflon merdane üzerinde hareket eden bir plastiğin, merdanenin her bir rotasyonundan sonra yüzeyindeki elektrik yükü artacaktır. Pil Etkisi Elektrik yüklü çeşitli maddelerin birleştirilmesi, çok yüksek elektrik yüklenmesine
9 yol açabilir. Örneğin; nispeten düşük yüzey elektrik yüklenmesine sahip plastik tabakalar, üst üste yığıldığında veya sarıldığında çok yüksek voltajlar üretebilirler. Isı Değişikliği Soğuyan bir cisim elektrik üretmeye eğilim içerisindedir.aslında soğutma işlemi o cismin tamamında net bir elektrik yüklenmesi anlamına gelir.eğer cisim çok iyi bir yalıtkansa, iç statik yükü uzun bir süre muhafaza edilebilir.bununla birlikte zaman içinde bu yük normal olarak bir yüzey statik yükü haline gelene kadar yüzeye akmaya devam eder.bunun bir örneği de görünüşte sıcakken nötr olan fakat soğutulduğunda büyük bir yüzey yüküne sahip olan enjeksiyon kalıbıdır Antistatik Metodlar Statik elektrik yükünün ortadan kaldırılmasının methodları; Statik elektrik yükü nötralizasyon ile ortadan kaldırılır. Statik yüklerin nötralizasyonunda temel prensip hangi teknik kullanılırsa kullanılsın aynıdır. Pozitif bir yüzey elektrik yüküne sahip olan bir cisimde yüklenmeyi dengeleyebilmeleri için elektronlar yüzeye doğru dağıtılmak zorundadır. Yüzey yüklenmesi negatif olduğunda fazla elektronlar yükün nötralize olması için yüzeyden çıkarılmalıdır. Yukarıda belirtilen elektronların dağıtılması ve çıkarılması şu üç yöntemden biriyle yapılabilir 1. Elektronların cismin kendisi etrafında hareket ettirilmesi, 2. Elektronların yüzeyle temas eden diğer bir cisim tarafından hareket ettirilmesi, 3. Elektronların cismi çevreleyen havanın iyonizasyonu vasıtasıyla hareket etmesi Pasif İyonizasyon Elektrik yüklenmiş bir nesnenin bir iletkene yaklaştırılması sonucu yükünü boşaltama eğilimi gösterir. Polonyum gibi radyoaktif kaynaklar, yüzey statik yükleri nötralize edecek şekilde onu çevreleyen havanın nötralize olmasına yol açar. Radyoaktif eliminatörlerin bir dezavantajı, sadece yıllık olarak elde edilebilir olmalarıdır. Zira radyoaktif elementler etkilerini zaman içinde yitirirler ve yıllık bazda yenilenmeleri gerekir. Aktif Elektriksel İyonizasyon AC veya DC yüksek voltaj kullanılarak, daha sonra yüzey elektrik yüklemelerinin nötralizasyonunda kullanılabilecek iyonize olmuş hava üretebilir. AC veya DC sistemlerinin kullanımı, uygulamaya bağımlılık gösterir AC H&0 Anti statik Çubuk AC çubuk yüksek hızlı uygulamalar dahil olmak üzere statik problemlere çözüm getirmektedir. Üretim aşamasında oluşan bozucu statik yükleri nötralize etmek için tasarlanmıştır. Çubuklar Hz de 7,5 kv alternatif voltajda işlem görmektedirler. Güçlü performansı, hızlı zayıflatma zamanı ve 40 mm mesafede etkin iyonizasyon sağlamaktadır.
10 H&0 Antistatik çubukları hava iyonlarını pozitif ve negatif iyonlara ayıracak bir elektrik alan oluşturur. Çubuğun yakınından geçirilen herhangi bir yüklü malzeme zıt yüklü iyonları çekecek ve malzeme nötralize olacaktır. Bundan sonra da malzeme ne başka ürünlere ne de makine parçalarına yapışacaktır. Aynı zamanda statik elektriğin neden olduğu toz çekimi, patlamalar, yangın tehlikesi ve elektrik şokları engellenmiş olacaktır Pulse DC Eliminators AC Ionization AC eliminatörler gibi, yüksek voltaj kullanarak iyonize olmuş hava üretiminde kullanılırlar. AC eliminatörler kaynak frekansında çalışırken puls DC eliminatörler daha düşük frekanslarda işlem görürler. Negatif ve pozitif çıkışlara münavebeli olarak bağlanan bir seri verici pinlerden oluşmaktadır (Şekil 7.2). Çubuğun topraklama kaplaması plastikten yapıldığı için topraklamanın yere yakın olmasına gerek yoktur. Güç kaynağının çıkışı seçilen frekansta negatif-pozitif arasında değişken bir kare dalgadır. Dalganın pozitif tarafı incelendiğinde, kontrol biriminin pozitif vericiye bağlı yüksek çıkış voltajını devreye aldığı görülecektir. Bu nedenle, topraklanmış cisimler ile verici uç arasında bir elektrik alan oluşur. Bu elektrik alan, verici ucun sivri bölümünde son derece güçlüdür. Aynen AC eliminatörler de olduğu gibi pozitif iyonlar üretilir ve benzer şekilde iyonlar çubuktan uzaklaştırılır.
11 Pulse DC Iyonizasyonu Döngünü negatif tarafında, güç ünitesi verici parçaya yüksek negatif voltaj gönderir. Aynen AC eliminatörler de olduğu gibi, verici parçada negatif iyonlar üretilir. İyonize çubuğun yanında statik olarak yüklenmiş bir cisim, göreli polaritelerine bağlı olarak iyonları ya kendine çekecek ya da itecektir. İyonlar, statik olarak yüklü yüzeye ulaştıklarında, aynen AC eliminatörler bölümünde tanımlandığı gibi, nötralizasyon işlemi başlayacaktır. Söz konusu işlemdeki düşük frekanslar, puls DC eliminatörler cihazının geniş bir aralıkta nötralizasyon yapabilmesine imkan sağlar. Her bir yarım döngünün göreli olarak uzun süresi, çubuktan uzaklaştırılacak alternatif iyon kümelerinin oluşuna sebep verir. Çubuktaki, pozitif ve negatif iyonların birbirlerine olan uzaklığı, tekrar birleşme ihtimallerini büyük ölçüde azaltacaktır. Çubuktan uzak mesafelerde, statik olarak yüklenmiş yüzeye daha az sayıda iyon gönderilir. Bu nedenle, dinamik uygulamalarda, Puls DC eliminatörlerin kullanılmasında, çubukların cismin yüzeyine olan uzaklığına özel önem verilmelidir. Puls DC sistemlerin bir ilave özelliği de, çıkış dalga şekli değiştirilebilir ve dalganın pozitif ve negatif bölümlerinin süresi azaltılıp arttırılabilir. Örneğin, nötralize edilecek yükün pozitif olduğu biliniyorsa, çıkıştaki negatif bölümün süresi arttırılabilir veya dalganın pozitif bölümü azaltılabilir. Bu süreç, negatif iyon üretimini arttıracak, pozitif iyon üretimini ise azaltacaktır ki bu pozitif yüklerin nötralize edilmesinde sistemin daha etkin olmasını sağlamaktadır. Aynı şekilde, bilinen bir negatif yük için de söz konusu uygulama geçerli olacaktır