정전기


정전기

정전기 발생은 주로 2개의 물체와 접촉할 때 본래 전기적으로 중성 상태에 있는 물체에서 정(+)또는 부(-)로 극성 전하가 과잉되는 현상이다. 이 과잉현상을 정전기라 하고 발생한 정전기가 물체강에 출전이 되는것을 대전이라 한다

정전기는 전기집진기, 정전복사기, 정전도장기 등 실생활에 유용하게 사용되기도 한다

전격에 의한 스파크, 전자회로의 파손, 화재 및 폭발의 원인이 될 수 있으므로 발생 및 재해에 주의해야 한다

정전기의 발생 메커니즘

1)일함수와 전하분리

  • 일함수
    물질 내부의 자유전자는 물체에 빛, 열, 마찰 등 외부에서 물리적 힘을 가하면, 이 자유전자는 입자 외부로 방출되는데 이때 필요한 에너지를 일함수러 한다
  • 전하분리
    전하의 이동으로 일함수가 높은 표면은 +로, 낮은 금속표면은 – 로 대전하여 전기 2중층을 형성하여 전하가 분리되는 상태

2)정전기의 발생 영향요소

  • 물체의 특성

정전기 발생은 대전서열 중에서 가까운 위치에 있으면 작고, 멀리 있으면 크다

  • 물체의 표면 상태

표면이 거칠면 정전기 발생이 쉽고 수분 및 기름 등에 오염되었거나 부식 시에도 정전기 발생에 영향을 준다.

  • 물체의 이력

정전기 발생에는 처음에 접촉 및 분리가 일어날때 최고가 되고 접촉 및 분리가 반복됨에 따라 적어진다.

  • 접촉면적 및 접촉압력

접촉면적이 크고 압력이 크면 정전기 발생이 커진다.

  • 분리속도

분리속도가 커지면 전하분리에 주어지는 에너지가 커져서 정전기 발생이 커지는 경향이 있다

3)정전기 대전현상(=원인)

  • 마찰대전
    물체에 마찰할 때 일어나는 대전현상
  • 박리현상
    접촉되어 있는 물체가 벗겨질 때 전하분리가 일어나는 현상
  • 유도대전
    대전물체 가까이에 전열체가 있을 때 정전유도를 받아 대전물체와 반대의 극성이 절연체에 나타나는 현상
  • 분출대전
    액체류, 분체류가 단면적이 작은 개구부에서 분출될 때에 마찰력에 의하여 발생하는 정전기
  • 저하대전
    고체표면에 부착되어 있는 액체류가 비산해서 분리되고 많은 물방울이 될때에 새로운 표면을 형성하여 정전기 발생
  • 침강대전
  • 충돌대전
    액체, 분체가 충돌할 때 빠르게 접촉 분리되면서 일어나는 정전기
  • 비말대전
    비말(물보라)은 공간에 분출할 액체류가 비산해서 분리되고 많은 물방울로 될 때 새로운 표면을 형성하여 정전기 발생
  • 유동대전
    액체가 파이프 내에서 이동할 때 발생하는 정전기

4)대전에 따른 물리적인 현상

  • 역학현상
    • 전하 분리에 의해서 물체가 대전하면 여러 형태의 역학현상이 나타난다
    • 정전기의 전기적 작용인 쿨롱의 법칙 힘에 의하여 대전물체 주위에있는 먼지 종이조각 등 가벼운 물체를 끌어 붙이거나 반발한다. 이를 번지스타인 효과라 한다.
\[F=\frac{q_1\times q_2}{4\pi \epsilon_0 r^2}=9\times 10^9\times\frac{q_1\times q_2}{r^2}[N]\]
  • 방전현상
    • 전하분리에 의해 정전기가 발생하면 그 주위의 매질 중에 전계가 형성되는데 전계의 크기는 전하의 축적에 의하여 더불어 상승한다.
    • 한계값에 도달하면 매질은 전기에 의해 절연성을 잃고 도전성을 잃고 도전성이 도어 중화되기 시작한다
    • 이 현상을 방전현상이라 하고 빛과 소리를 수반한다.
  • 정전유도 현상
    대전물체 가까이에 절연된 도체가 있으면 절연도체의 표면상에 대전물체의 전하와 반대 극성의 전하가 나타나는 현상

5)정전기의 방전현상

  • 불꽃방전
    • 방전거리가 짧고 평등전계에 가까울 경우 절연이 파괴되어 방전하는 것을 불꽃방전이라 한다
    • 전극사이의 한점에서 전계강도가 공기의 절연내력인 3[]의 값일때 방전
  • 코로나 방전
    • 대전물체 가까이에 곡률반경 1~2[]이라의 도체가 있을 때 일어나는 국부방전
    • 미약한 발광과 파괴음을 수반
  • 스트리머 방전
    • 기체방전에서 방전로가 긴 줄을 형성하면서 방전하는 현상으로 번개와 같이 수지모양의 발광을 한다
    • 미약한 발광과 파괴음을 수반
  • 연면방전
    • 도체에 밀착한 수[]이하의 앏은 필름 시트등이 매우 강한 상태가 되는 조건일 때 발생

정전기 재해 및 장해

1)전격의 원인

  • 근육의 급격한 수축 등의 신체적 손상
  • 전격에 의하여 신체 균형을 잃고 높은 장소에서 추락, 전도 등 2차적 재해
  • 전격에 의한 공포감, 불안감 유발

2)전자기기 등의 오동작 및 파손의 원인

  • 정전기에 의한 전력기기 등의 오동작 발생
  • 정전기에 의한 전력기기의 반도체의 파손 발생

3)폭발(화재)의 원인

가연성 물질이 공기 등과 혼합해서 폭발한계 내에 있을 때 화재 및 폭발이 발생할 수 있다.

정전기 방지대책

1)도체의 대전 방지대책

  • 접지 및 본딩
    • 접지는 발생한 전기를 대지로 누설시켜 물체에 정전기가 축적되는 것을 방지하는 것
    • 접지저항은 1*10^6 이하이면 족하나 실제 적용는 100[]이하로 접지가 가능
  • 배관 내 유속의 제한
    정전기의 대전량은 유속의 1.75승에 비례하므로 저장탱크 주입구의 주입속도는 1[]이하이어야 한다
  • 정치시간
    정치시간이란 도체에 대전된 전하량이 자연적으로 방전하는 시간을 말하며, 대전방지효과와 직접적인 연관이 있다.

2)부도체의 대전방지

  • 가습
    공기 중의 상대습도를 높여 65~70% 정도면 물체 표면의 흡수량이 증가하여 전기전도의 향상으로 전하의 소멸이 쉬워진다.
  • 대전방지제 이용
    대전방지제를 바르거나 내부에 혼입하면 표면에 이온성을 가져와 대전방지효과가 있다
  • 제전기에 의한 대전방지
    • 전압인가식 제전지 : 7000V의 고전압에 의한 이온발생으로 정전기를 중화
    • 자기방전식 제전기 : 제전대상 물체에 정전에너지를 이용하여 제전에 필요한 이온을 발생시켜 중화
    • 발사선식 제전기 : 방사선 동위원소등으로 부터 나오는 방사선의 전계작용을 이용하여 제전에 필요한 이온 생성

3)인체의 대전방지

  • 대전방지화
    • 구두 바닥의 저항률을 낮추어 인테에서 발생하는 정전기를 방전
    • 정전기 방지용 신발 규격
      • 1종- 1[M옴]~1[G옴] 착화에너지가 0.1[mJ]이상인곳 : 메탄 프로판)
      • 2종 – 100[k옴]~10[M옴](착화에너지가 0.1[mJ]이하 : 수소 아세틸렌 취급)
    • 대전된 정전기가 제전사를 통해 도전성 고무(신발바닥)을 거쳐 근본적으로 그라운드 된 철판위에 사람이 있을 때 신체에 정전기가 방전됨
  • 대전방지 작업복
    화학섬유 중간에 일정한 간격으로 도전성 섬유를 짜 넣은 것으로 폭발위험 분의기 장소에 이용
  • 손목접지대
    손목에 가요성이 있는 밴드를 차고, 밴드는 도선을 이용하여 접지선에 연결하여 제전하는 방식

정전기
정전기
제전기
과도 불안정의 발생원인과 영향


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