Profesor Neils Jonassen był autorem dwumiesięcznej kolumny poświęconej elektryczności statycznej, która ukazywała się w Compliance Engineering Magazine. Seria ta dotyczyła ładowania, jonizacji, eksplozji i innych tematów związanych z ESD. Stowarzyszenie ESD, współpracując z IN Compliance Magazine, ponownie publikuje tę serię, ponieważ artykuły te oferują ponadczasowy wgląd w dziedzinę elektrostatyki.
Profesor Jonassen był członkiem Stowarzyszenia ESD w latach 1983-2006. Otrzymał nagrodę ESD Association Outstanding Contribution Award w 1989 roku i był autorem prac technicznych, książek i raportów technicznych. Jest pamiętany za swój wkład w zrozumienie kontroli elektrostatycznej, a w jego pamięci powtarzamy „Mr. Static”.
~ The ESD Association
Przedrukowano za zgodą z: Compliance Engineering Magazine, Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon
Kwestię interakcji pomiędzy zjawiskiem elektryczności statycznej a ludźmi można rozpatrywać na dwa sposoby: jak ludzie powodują powstawanie ładunków statycznych i jak są przez nie uszkadzani. Pierwsza z tych kwestii nie zawsze jest dobrze rozumiana, ale generalnie nie budzi kontrowersji. Drugi natomiast jest przedmiotem wielu nieuzasadnionych spekulacji.
Jak ludzie powodują wyładowania elektrostatyczne
Najbardziej znanym procesem ładowania tworzonym przez ludzi jest chodzenie po izolowanej wykładzinie podłogowej. Na pierwszy rzut oka, proces ten wydaje się prosty. Kontakt i tarcie pomiędzy podeszwami butów a podłogą powoduje separację ładunku przy każdym kroku. Ładunek ten sprawia, że napięcie pojemności ludzkiego ciała wzrasta, aż nieunikniony prąd upływu równoważy prąd ładowania.
Ale ładunek jest oddzielony na styku podeszwy buta i wykładziny podłogowej, a podeszwa jest izolacyjna. Jak więc ładunek jest przenoszony ze spodu podeszwy na osobę?
Możliwe, że nie – możliwe, że osoba w rzeczywistości nie osiąga ładunku netto. Wszystko co widzimy w takim przypadku to efekt indukcji spowodowanej przez ładunek na podeszwie. Należy pamiętać, że efekt ten może równie dobrze podnieść napięcie osoby do znacznego poziomu, przy czym ładunek netto pozostaje zerowy. Albo może być wyciek wokół krawędzi podeszwy, lub nawet kombinacja tych procesów.
Dość dziwne, że nikt nigdy tak naprawdę nie przyjrzał się temu problemowi. A kiedy stawiasz go przed ludźmi prezentującymi prace na ten temat, mają oni tendencję do stawania się zawziętymi.
Innym powszechnym sposobem, w jaki ludzie mogą się naładować, jest usunięcie elementu odzieży. Kiedy sweter ociera się o bluzkę, ładunki mogą się rozdzielić, ale napięcie osoby nie wzrośnie, ponieważ równie duże przeciwne ładunki znajdują się na niej. Kiedy jednak zdejmiemy sweter, który ma np. ładunek ujemny, dodatni ładunek z bluzki wytworzy napięcie dodatnie.
Nawiasem mówiąc, to małe zapięcie, które można poczuć przy uchu podczas zdejmowania swetra, nie jest oznaką ładowania. Wręcz przeciwnie: jest to wyładowanie (i nie jest to iskra, lecz wyładowanie szczotkowe). Wysunięcie się z fotela samochodowego powoduje podobny proces ładowania, a lekki wstrząs, który możesz poczuć, jest spowodowany wyładowaniem w samochodzie (i w tym przypadku iskrą), a nie ładowaniem samochodu. Ten ostatni proces zakończył się w latach 1930 wraz z wprowadzeniem przewodzącej gumy w oponach.
Jak elektryczność statyczna wpływa na ludzi
Wstrząsy elektryczne
Najbardziej znanym efektem działania elektryczności statycznej na ludzi, i jedynym udowodnionym efektem w opinii wielu naukowców, jest wstrząs spowodowany wyładowaniem iskrowym. Zwykle występuje on, gdy naładowana osoba dotknie uziemionego obiektu, lub wejdzie w kontakt z inną osobą, która jest na innym potencjale. Chociaż zjawisko to jest dobrze znane, nie ma dobrze zdefiniowanych zakresów dla tego, jaki poziom napięcia ciała spowoduje wyładowania, które mogą być odczuwalne.
Niewiele osób, jednakże, zauważy wyładowania przy napięciach niższych niż około 1000 V. Większość ludzi zacznie odczuwać nieprzyjemny efekt około 2000 V. Prawie każdy będzie narzekał na wyładowania przy napięciach powyżej 3000 V.
Jak wysokie może być napięcie w ciele, gdy chodzimy po izolacyjnej podłodze w izolacyjnych butach? Z pewnością w pewnych warunkach spotykane są napięcia rzędu 10-20 kV, ale moim zdaniem podawana czasem maksymalna wartość około 35 kV jest apokryficzna. Na długo przed osiągnięciem takiego napięcia wyładowania koronowe prawdopodobnie wystąpiłyby z nosa, uszu i innych wypukłości.
Ciekawe jest, że pytanie, czy wyładowanie przewodnika na ciało człowieka może mieć korzystne skutki, było kiedyś poważnym zagadnieniem. W XVIII wieku szeroko stosowano elektroterapię. W jednym z zastosowań kondensatory, znane jako słoje Leydena, były ładowane do napięcia rzędu dziesiątek kilowoltów i rozładowywane do sparaliżowanych kończyn. Powstałe w ten sposób szarpnięcie interpretowano jako oznakę pozytywnego efektu.
W większości przypadków jednak skutki oddziaływania elektryczności statycznej na człowieka uznawano za szkodliwe, a przynajmniej niepożądane. W epoce syndromu chorego budynku, było prawie nieuniknione, że niektóre z wielu niespecyficznych efektów niedoskonałego klimatu wewnętrznego powinny być przypisane egzotycznemu zjawisku elektryczności statycznej. Ładunki elektrostatyczne były czasami podejrzewaną przyczyną bólów głowy, suchości błon śluzowych, swędzenia skóry i innych podobnych dolegliwości. Rzadko kiedy w takich przypadkach sugerowano jakikolwiek możliwy mechanizm lub wyjaśnienie, które opierało się na dobrze udokumentowanych badaniach.
Plating Out
Jest jednak jeden fizyczny efekt elektryczności statycznej, który ma pewne prawdopodobieństwo powodowania problemów fizjologicznych lub higienicznych: wpływ pola elektrycznego wokół osoby na cząstki unoszące się w powietrzu.
Jeśli osoba jest naładowana dodatnio, będzie przyciągać ujemnie naładowane cząstki z powietrza. Lub, jak fizyk może wolą sformułować to, pole wokół ciała zwiększy plateout ujemnie naładowanych cząstek na ubrania i narażone skóry. Ale neutralne cząstki będą również przyciągane, ponieważ będą one spolaryzowane, a ponieważ pola, w ogóle, zawsze będzie niejednorodna. Pole wokół osoby może, jak wyjaśniono powyżej, pochodzić od ładunków rozdzielonych przez chodzenie po izolowanej wykładzinie podłogowej. Ale może być również spowodowane bliskością telewizora lub monitora komputerowego.
Co ciekawe, jeśli nikt nie znajduje się w pobliżu telewizora lub monitora komputerowego, pole będzie przesuwać się w kierunku ekranu. W związku z tym, jest to, gdzie cząstki będzie płytka się, z wynikiem smużenia. Kiedy osoba jest blisko ekranu, jednak pole będzie również zbieżne na twarzy tej osoby, zwłaszcza wokół wypukłości, takich jak nos i uszy.
Kilka projektów naukowych wykazały, że pola elektryczne wokół osoby dramatycznie zwiększyć szybkość plateout cząstek zawieszonych w powietrzu. Zasugerowano, że jeśli takie cząstki są natury alergicznej, plateout może spowodować zwiększone występowanie podrażnień skóry lub choroby. Taka zależność nie została jednak wykazana.
Czy jony są dla ciebie dobre?
Nieco podobnym procesem jest wpływ pola elektrycznego wokół człowieka na jony atmosferyczne (definicja i opis właściwości fizycznych jonów atmosferycznych znajduje się w mojej kolumnie w wydaniu Compliance Engineering z maja/czerwca 1999, str. 24).
Często twierdzono, że nadmiar lub niedobór jednej z biegunowości jonów we wdychanym powietrzu ma bezpośredni wpływ na człowieka. Dziesiątki lat temu, jednym z takich twierdzeń było to, że nadmiar jonów ujemnych zwiększy częstotliwość drgań rzęsek w drogach oddechowych, poprawiając w ten sposób skuteczność oczyszczania rzęsek w górnych drogach oddechowych. Teoria ta była najwyraźniej poparta wynikami eksperymentów w latach 40-tych i 50-tych i była szeroko cytowana. Około 1970 roku, jednakże, została ona odłożona do lamusa – a przynajmniej powinna była zostać – ponieważ nowe badania z użyciem bardziej nowoczesnego oprzyrządowania wykazały niezbicie, że nie ma takiego efektu. Niemniej jednak, nadal można znaleźć relację jon-rzęsistek cytowaną w publikacjach medycznych i quasi-medycznych.
Jeszcze bardziej popularne jest twierdzenie, że nadmiar jonów ujemnych sprawia, że powietrze jest świeże i czyste, podczas gdy nadmiar jonów dodatnich sprawia, że powietrze jest duszne. Ponieważ tego rodzaju niejasny efekt jest niezwykle trudny do udowodnienia lub obalenia, niech wystarczy zauważyć, że duszne powietrze pod chmurą burzową ma nadmiar jonów ujemnych, podczas gdy świeże powietrze na szczycie góry jest bogate w jony dodatnie. Wydaje się więc, że jakość powietrza to coś więcej niż równowaga jonowa.
Załóżmy jednak, że względne stężenie jonów dodatnich i ujemnych w powietrzu, którym oddychamy, ma wpływ na nasze zdrowie. Jest więc jasne, że osoba, która jest otoczona polem elektrycznym (ponieważ jest naładowana) będzie wdychać mniej jonów niż osoba nienaładowana. Jeśli ta osoba jest naładowana dodatnio, to będzie odpychać jony dodatnie. Mimo, że ciało będzie przyciągać jony ujemne, zostaną one odchylone w kierunku skóry i w ten sposób usunięte z wdychanego powietrza. A nawet jeśli dana osoba nie jest naładowana, większość jonów we wdychanym powietrzu prawdopodobnie rozłoży się w drogach oddechowych, zanim jeszcze dotrze do oskrzeli.
Całe pytanie o los jonów w powietrzu, którym oddychamy, wymaga jeszcze wielu eksperymentów. Argumentowano, że skoro jon ujemny może zawierać cząsteczkę tlenu, to wdychanie jonów ujemnych musi być korzystne. Poza tym, co zauważyłem na temat plate-out na skórze i w górnej części dróg oddechowych, należy zauważyć, że nawet w najwyższych możliwych stężeniach jonów istnieją tryliony nienaładowanych cząsteczek tlenu dla każdego jonu ujemnego.
W ciągu ostatnich pięciu do sześciu lat pojawiło się wiele doniesień (przynajmniej w Europie) na temat rzekomych korzyści płynących z wystawienia skóry osoby cierpiącej na dolegliwości reumatyczne lub inne na działanie strumienia powietrza o wysokiej jonizacji, zawierającego jony o tylko jednej polaryzacji.
Aby osoba poddana takiej terapii nie była naładowana, musi być podłączona do uziemienia. Strumień jonów spowoduje wtedy powstanie prądu od punktu uderzenia do połączenia z ziemią. Według niektórych raportów, efekt leczenia jest bardzo zależny od tego, gdzie na ciele znajduje się połączenie z ziemią. Oczywiście, można również utworzyć prąd przez ciało po prostu stosując dwie lub więcej elektrod, ale to ogranicza ścieżkę prądu do pewnego stopnia.
Jeśli zjonizowane powietrze ma wpływ, może to być spowodowane tym, że prąd pochodzi z większego obszaru, a zatem ma większą szansę na znalezienie ścieżki z największym efektem. Zależy to również od umieszczenia przeciwnej elektrody lub połączenia z ziemią.
Proszę zauważyć, że powiedziałem, czy zjonizowane powietrze ma efekt.
Wyniki, o których ciągle słyszę, nie pochodzą z regularnych badań naukowych z podwójnie ślepymi próbami i całym tym jazzem. Ale wciąż przychodzą i nie chcę całkowicie wykluczyć możliwości, że są prawdziwe.
Zacząłem pracować z jonami w około 1958 roku, aby zbadać sensacyjne twierdzenia krajowego jonowego guru w Danii na temat efektów i zachowania jonów w powietrzu wewnątrz pomieszczeń. Prawie zostałem ukrzyżowany za żądanie dokumentacji naukowej dla tych twierdzeń (takich jak to, że powietrze w pokoju z podłogą winylową miało złą równowagę jonową). Mój powyższy komentarz na temat możliwego wpływu zjonizowanego powietrza na skórę nie oznacza, że z biegiem lat złagodniałem i ustąpiłem w moich wymaganiach dotyczących dokumentacji. Wręcz przeciwnie. Nadal uwielbiam odgrywać rolę św. Tomasza Wątpiącego.
 |
Niels Jonassen, MSc, DSc Przez 40 lat pracował na Politechnice Duńskiej, gdzie prowadził zajęcia z elektromagnetyzmu, elektryczności statycznej i atmosferycznej, radioaktywności powietrza i klimatu wewnętrznego. Po przejściu na emeryturę dzielił swój czas pomiędzy laboratorium, dom i Tajlandię, pisząc na tematy związane z elektrycznością statyczną i prowadząc zajęcia z gotowania. Pan Jonassen zmarł w 2006 roku. |