Elektrosztatikus feltöltődések avagy a töltések világa
Kamarás Péter 2017.április
Az atomszerkezetekben az atommag pozitív, a körülötte keringő elektron negatív töltésű. Vannak olyan anyagok, amelyekben az atommaghoz kötődő elektronokon kívül un. szabad elektronok is léteznek. - ahol elektronhiány van, ott pozitív jellegű az anyag - ahol elektronfelesleg van, ott negatív jellegű az anyag
ha a kétféle anyag találkozik, a töltések egymást vonzzák, kiegyenlítődnek
Töltések fizikája Az elektromos töltés mennyiségének méréséhez szükségünk van valamilyen egységre. Az elektromos töltés jele: Q mértékegysége a coulomb, amelynek jele C egy test elektromos töltése mindig az elektron töltésének egész számú többszöröse az elektron töltése coulomb-ban kifejezve
-1.6 * 10 -19
ez azt jelenti, hogy 6,25 trillió elektron töltése 1 C
C
A pontszerű töltések közötti kapcsolat erőhatással jellemezhető. Coulomb mérései alapján az erő (F) függ a töltések nagyságától (Q), a távolságuktól (r) és a töltések közötti anyag jellemzőjétől (k). Coulomb törvénye Q
F=k*
r² 1 Coulomb értékű töltés a tőle 1 m távolságra lévő 1 Coulomb értékű töltésre 9 * 10
9
N erővel hat
Charles Auguste de Coulomb (1736-1806)
a töltések a térben egymásra erőhajtást fejtenek ki – ez az un. elektromos erőtér Jellemzője a térerősség (E)
töltésre ható erő (F) E= töltés mennyisége (Q)
két töltés közötti energiaszint azt jelenti, hogy mekkora munka lenne, ha az egyik töltés a másikhoz eljutna – ez a munka (pontenciálkülönbség) a feszültség – jele U két elektródára (pl. két fémlemezre) vitt töltések között fellépő U feszültség arányos Q töltéssel Q=C*U C – arányossági tényező, mely az elektródák méretétől, anyagától és a teret kitöltő – a két elektróda között lévő – szigetelőanyagtól függ ez a kapacítás
mértékegysége a farad (F) 1 F annak a rendszernek a kapacítása, amelyen 1 C töltés 1 V feszültséget létesít 10 10
-6
-9
F = 1 µF (mikrofarad) F = 1 nF (nanofarad)
-12
10
F = 1 pF (pikofarad)
Michael Faraday (1791-1867)
Töltéstárolók (kondenzátorok) Leiden-i palack
Sikkondenzátor
+
+
DC esetén a töltések felhalmozódnak, majd megáll a töltésáramlás a szigetelőréteg miatt
DC esetén a kondenzátor szakadást jelent !
~
AC esetén a töltések a frekvenciának megfelelő ~ értékben felhalmozódnak, lecsökkennek – a két fegyverzet villamosan helyet cserél AC esetén a töltések folyamatosan áramlanak, a kondenzátor ellenállásként működik (kapacitiv ellenállás) !
a síkkondenzátor kapacitása függ a lemezek felületétől (A), távolságuktól (d) és a köztük lévő anyagtól (ε – dielektromos állandó) A C= ε*
d
dielektromos állandó – a légüres tér és a szigetelőanyag tulajdonságától függ
átütési szilárdság – ekkora feszültség még nem üti át a szigetelést
Forgó kondenzátor
Fólia kondenzátor
Kerámia kondenzátorok
Elektrolit kondenzátor
A katód és anód közötti anyag csak egyféle polaritást visel le, az elektrolit kondenzátor csak egyenfeszültségnél használható!
kondenzátor
a túlfeszültség sem tesz neki jót…
A kondenzátor töltéseket – energiát- képes tárolni. R
u = i * R + L*
L
di dt
állandó érték
+
C
1
i dt
C
időtől függő érték
L és C értéke határozza meg a tranziens folyamatok idejét és jellegét
U
U~
U
~
t
=
C
R U
= t
U
=c t szűrés kondenzátorral
szűrés nélkül U
= 0.9 * U ~ =
kondenzátor hatására kisebb lesz az egyenfeszültség ingadozása és nagyobb a tényleges értéke
U
= 1.41 * U ~ =
kondenzátoros időrelé (egyenáramú körben)
a relé tekercse induktivitásnak tekinthető LC kör kikapcsolásakor rezgőkör alakul ki
gyakorlati érték: 24 V/DC esetén 4700 uF-al 3-4 sec kikapcsolás késleltetés érhető el
Elektrosztatikus feltöltődés különböző anyagok érintkezése során villamos töltések áramlása indulhat meg, töltésfeleslegek vándorolhatnak egy helyre (megemelve a hely potenciálját) okozója az emberi test is lehet - padlószőnyegen való járáskor 35 kV is lehet a különbség - PVC-tasak felemelése, kézbevételekor kb. 7 kV-os feltöltődést okozhat a kisülési energia kicsi, emiatt nem okoz problémát az embernek félvezetős áramkörök egyes típusai érzékenyek ilyen energiára
Az atomszerkezetben az atommag pozitív, a körülötte keringő elektron negatív töltésű. Vannak olyan anyagok, amelyekben az atommaghoz kötődő elektronokon kívül un. szabad elektronok is léteznek. - ahol elektronhiány van, ott pozitív jellegű az anyag - ahol elektronfelesleg van, ott negatív jellegű az anyag
ha a kétféle anyag találkozik, a töltések egymást vonzzák, kiegyenlítődnek
a jegyzékben szereplő bármely két anyagot összedörzsölve az egyik pozitív, a másik negatív elektromos töltésű lesz, függően a töltési rangsortól + töltés
haj, szőr flanell toll gyapot selyem
nylon - töltés
papír ebonit fémek
„Emberi” feltöltődések - öltözködéskor – téli ruházat esetén - mozgás közben a rajtunk lévő ruházat töltődik fel ha így feltöltődve találkozunk a töltésünket felvevő anyaggal, töltésáramlás, energia átvitel – szikrázás - jön létre ennek kivédésének egyszerű formája – „veszélyes” környezetben a ruhával fémhez dörgölőzünk (pl. kilincs, szék), így az emberi test nem vesz részt a töltésáramlásban
ha elektronikus készüléken keresztül történik a töltésáramlás, akkor a készülék tönkremehet!
Elektrosztatikai generátorok
Wimshurst-féle influenciagép
Van de Graaff-féle generátor
a feltöltődés nagysága függ az anyagok tulajdonságaitól, a földelési viszonyoktól és a környezet nedvességtartalmától Védelmi megoldások - elektrosztatikusan vezető cipő - min. 65 % pamutot tartalmazó ruházat - kerülni a műszálas ruházatot - magas nedvességtartalmú helyiség - javításhoz földelt szerszámokat kell használni - a csuklón földelő pánt alkalmazása
csuklóra szerelhető földelőpánt
földelő sarokpánt
földelő cipő
Elektrosztatika alkalmazásai Levegő/gázok tisztítása
Fénymásoló/lézernyomtató
forgó henger fényérzékeny dob fény
festék
papír
Kapacitív közelítéskapcsolók A kapacitív érzékelők aktív eleme egy kondenzátor, amely egy tárcsa alakú elektródából és egy, az aktív felületet határoló, kehely formájú, félig nyitott fegyverzetből áll, mely egy elhangolható rezgőköri kapacitású RC oszcillátorhoz kapcsolódik. A kapacitív közelítéskapcsoló a hatósugarába kerülő, a kapacitás megváltozását eredményező tárgyakat érzékeli. Így nemcsak a fémekre, hanem a szigetelőanyagokra is kapcsol.
Érintésre működő kezelőfelületek A kezdeti hiányosságok az évek során eltűntek és ma már a legtöbb érintőképernyő gyártó (V-Touch, 3M Microtouch, ELO touch) többféle elven működő érintőszenzorokkal támogatja a piacot. - ellenállásos technológia - kapacitiv technológia - piezoelektromos technológia - infravörös technológia
Rezisztív technológiájú - az érzékelést egy üveglapra kasírozott dupla fóliára felvitt ellenállásréteg végzi - a nyomás pontos helyzetét a két lap között létrejövő ellenállás alapján határozza meg a vezérlő - használható akár védőkesztyűben és különböző mutatóeszközökkel is - kisebb felbontású, így grafikai célokra nem ajánlott - felhasználási területe: banki terminálok, ügyfélhívó rendszerek, ipari automatika, olcsóbb kategóriájú érintőképernyős mobileszközök
Kapacitív technológiájú - az érzékelést egy üveglap felületére gőzölt, sűrű kondenzátor mátrix végzi - az érintés helyzetét a kapacitás változásából számolja ki a vezérlő egység - víztiszta felület - ez a legelterjedtebb technológia - csak szabadkézzel érinthető - nagy felbontású érzékelő mátrix - felhasználási területe: nyerő és játékgépek, zenegépek, terminálok, valamint a jobb minőségű mobil telefonok és tabletek
Előretolt kapacitív technológiájú - az érzékelést, az érzékelő üveg felülete felett (akár 10 mm távolságban is) található statikus réteg végzi - nincs szükség a fizikai kontaktusra, a statikus réteg töltésváltozását figyeli a vezérlő egység - akár üveglap vagy csempe mögé is építhető - így tökéletesen vandálbiztos, szigetelt érzékelő felület alakítható ki - felhasználási területe: kirakatban levő információs és reklám terminálok, interaktív játékok, különleges épületgépészeti megoldások
SAW (surface acoustic wave) technológiájú
- a szenzor sarkain levő piezoelektromos oszcillátorok az üveg felületét nagyfrekvenciás hanghullámokkal borítják - az érzékelést ez a "hullámtér" végzi. - érintés esetén a vezérlő a megtört hanghullámok reflexiói és interferenciái alapján határozza meg az érintés helyét - nincs a felületre gőzölt érzékelő réteg ezért a szenzor érzéketlen a karcolásokra - felhasználási területe: terminálok, utcai automaták, jegyautomaták
Infravörös technológiájú - az érzékelést, az érzékelési terület körül elhelyezett infra szenzorok végzik - az érintő felület felett kialakított infravörös háló megszakítását érzékeli a vezérlő - kifejezetten nagy érintőfelületek kialakításához ideális ( 17" 160"!) - mivel az érzékelők nem az üveg felületén helyezkednek el így az érzékelést nem befolyásolja az üveg állapota - beltéri használatra - felhasználási terület: e-könyv készülékek, nagyméretű infoterminálok, interaktív játékok, oktató és kísérleti eszközök
