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Sep 01, 2023

有用な静電気

Il professore associato Niels Jonassen scrive una rubrica statica bimestrale.

Neils Jonassen 准教授は、Compliance Engineering Magazine に隔月で掲載される静的なコラムを執筆しました。 このシリーズでは、帯電、イオン化、爆発、その他の ESD 関連のトピックを取り上げました。 ESD アソシエーションは、In Compliance Magazine と協力して、静電気分野に関する時代を超越した洞察を提供する記事としてこのシリーズを再発行します。

ジョナッセン教授は、1983 年から 2006 年まで ESD 協会の会員でした。 彼は 1989 年に ESD 協会優秀貢献賞を受賞し、技術論文、書籍、技術レポートを執筆しました。 彼は静電気制御の理解への貢献で記憶されており、私たちは彼の記憶の中で「ミスター・スタティック」を再演します。

～ESD協会

許可を得て転載: Compliance Engineering Magazine、Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon

静電気という用語から、おそらく人々は、ひどい衝撃、まとわりつく衣服、汚れたテレビ画面、タンカーの爆発、そして特にこの雑誌の読者にとっては、電子部品や回路の破損（ESD 問題とも呼ばれる）などの現象を思い浮かべるでしょう。 そして、エレクトロニクス業界で静電気について話されるとき、静電気がその利点のためであることはめったになく、むしろ、ほぼ例外なく、それ自体が迷惑であり、場合によってはリスクとして現れるためであることを認めなければなりません。

これは静電気にとって少し不公平ですが、ほとんどの人が静電気のマイナスの特性しか知らないことを考えると理解できます。 ほとんどの人は、静電気、あるいは静電気の原理が、冷蔵庫の塗装、サンドペーパーの品質、コピー機の機能、そしてさらに重要なことに、石炭火力発電所からの煙の浄化に不可欠であることを知りません。 これらは、静電気の重要な応用例のほんの数例にすぎません。

一見すると、静的という一見予測不可能で煩わしい表現の原因もうまく利用できるかもしれないということは面白いように思えるかもしれません。 しかし、物理学者の観点からすれば、それはまったく驚くべきことではありません。 静電気の応用のほとんどは、浮遊または液体中に浮遊する微粒子の取り扱いに関連しています。 次の特性は静電プロセスに共通です。

すべての静電気応用では、一部の材料は帯電している必要があります。これは、材料が電場に応答できなければならないことを意味します。 これは、材料に正味の電荷を与えるか、誘導または分極にさらすことによって行うことができます。1,2 最も重要な 3 つの帯電プロセスは、コロナ帯電、接触および摩擦帯電、電場での誘導および分極です。 降水にはコロナ帯電を利用します。 多くの場合、2 つ以上の帯電プロセスがアクティブになります。 例えば：

この記事では、これら 3 つのアプリケーションすべての例に焦点を当てます。

降水量

静電沈殿の原理は、浮遊 (固体または液体) 粒子を同じ極性に帯電させることであり、その結果、粒子は電場内で同じ方向に移動します。

多くの工業プロセスでは、影響を受けた空気を環境に放出する前に浄化する必要があるほど、浮遊微粒子が生成されます。 代表的な例は、石炭火力発電における飛灰の生成です。 他の多くの産業も大規模な粒子状大気汚染を引き起こしています。

料理や掃除（喫煙は言うまでもない）などの日常生活でも、空気中に粒子濃度が発生し、その濃度はしばしば許容できないレベルに達します。 微粒子は機械フィルターによって空気から除去できますが、産業汚染の場合、通常は電気フィルターの形式で行われる電気集塵がなければ、世界は途方に暮れます。

電気フィルターは、静電気の原理を産業に応用した最も古いもので、フレデリック コットレルが最初の集塵機を製造した 1906 年にまで遡ります。 図 1 はエレクトロフィルターの簡略図を示し、図 2 はその動作原理を示しています。

図 1: エレクトロフィルターの概要

図 2: エレクトロフィルターの動作原理

単一のコロナ ワイヤ (または一連のコロナ ワイヤ) が高電位に保たれると、ワイヤの周囲の薄い被覆内に正イオンと負イオンが形成されます。 図では、マイナスイオンがワイヤーに引き寄せられ、そこで中和されます。 ただし、陽イオンは接地された電極に向かって移動し、陽イオンの高濃度領域が形成されます。 汚れた空気がこの領域を通って引き込まれると、イオンが空気中の粒子に付着する傾向があります。

空気流は荷電粒子を沈殿ボリュームに運び、そこで粒子は収集電極に向かって移動し、最終的にはそこでプレートアウトする可能性があります。 粒子が実際に収集電極に着地するかどうかは、流量、粒子サイズ、粒子の電荷、フィルターの寸法、場の強度などの多くの要因によって決まります。

収集電極からめっきされた材料を除去するには、いくつかの方法を使用できます。 産業プラントの場合、洗浄に大きな機械式シェーカーが必要になる場合があります。 家庭用電気フィルターの場合は、残留微粒子を除去するためにフィルターユニットを隔週で食器洗い機に入れるだけで十分な場合があります。

分離

静電分離の原理は、粒子混合物中の成分を反対の極性に帯電させ（または導電性材料を帯電させないままにし）、その後、相互反発またはおそらく重力の助けとなる外部電場によって成分を分離することです。

図 3 は、ドラム分離機を使用したこのプロセスを示しています。 導電性粒子と絶縁性粒子の混合物がホッパーから接地されたドラム上に供給され、コロナ放電によってすべての粒子が (図の場合はプラスに) 帯電されます。 粒子がコロナ領域を離れると、導電性粒子はドラムへの電荷を失い、重力と「遠心」力によって遠ざかります。 絶縁性粒子は、おそらく AC コロナ放電の助けを借りてブラシまたはスクレーパーで除去されるまで、ドラムに付着します。

図 3: 静電ドラムセパレーター

分離される粒子の帯電は、さまざまな方法を使用して達成できます。 適切な方法の選択は、材料自体の特性、表面の状態、界面にわたる電場や温度勾配などの外部パラメータなど、いくつかの要因に依存します。 表 1 は、粒子の形で静電的に分離して商業的利益を生み出すことができる多くの材料混合物のうちのいくつかを示しています。

表 1: 静電的に分離可能な混合物

コーティング

現在製造されているほぼすべての製品には、何らかの方法でコーティングが施されています。 これは、私たちが書く紙、着る服、運転する車、座る家具にも当てはまります。 実用的、経済的、および環境上の理由から、必要な量の材料のみで製品をコーティングすることが望ましいため、静電コーティングは他のほとんどの方法よりも優れています。

以前のコラムでは、静電気を使用した表面処理方法としてのスプレー塗装について説明しました 3。このセクションでは、サンドペーパーの製造に使用されるまったく異なる種類のコーティングについて説明します。 図 4 は、このコーティング プロセスで使用される原理を示しています。

図 4: サンドペーパーの製造

電界を確立するために、2 つの平面電極 (1 つは接地され、もう 1 つは高電圧電源に接続) が使用されます。 適切な半導電性材料の連続ベルトが、下部電極と接触してフィールドを通過する。 サンドペーパーの裏打ち用の紙または織物は、上部電極と接触しながら、ストックロールからフィールドを通って供給されます。 紙がフィールドに入る前に、紙の最終的に下を向く面に接着剤の層が塗布されます。

粉砕メノウなどの研磨材はホッパーからフィールド外の下部ベルトに供給されます。 研磨材がフィールドに入ると、分極粒子は下部電極と同じ極性に直接帯電します。

粒子はその最長軸を電場と整列させ、電場の強度が十分に高い場合、粒子は上部電極に向かって移動し、鋭い尾部が突き出た状態で接着剤に埋め込まれます。 粒子がすでに別の粒子によって占められている点に衝突すると、遅れて到着した粒子は中和され、反対の極性に帯電して反発されます。 その後、下のベルトに落下し、このプロセスを繰り返します。

砂で覆われた面が現場から離れると、シェーカーが遊離した材料を除去し、乾燥機が接着剤を硬化させます。 研磨材の静電堆積は、純粋な機械的プロセスによって可能となるものよりも、単一粒子のより均一な分布とより有益な配向を提供します。

結論

ここで扱う 3 つのトピックは、静電原理の多くの有用な応用例のうちのほんの一部にすぎません。 同様に価値のある用途には、エレクトレット マイクとフィルター、静電モーター、およびゼログラフィーとして知られる静電画像形成の重要な分野が含まれます。電子写真がなければコピーは存在しません。 この短い調査の目的は、静電気の可能性の概要を提供することです。 おそらく、次に ESD の問題でイライラするときは、静電気も良いものと考えられることを思い出すかもしれません。

参考文献

ニールス・ヨナッセン、修士号、博士号デンマーク工科大学で 40 年間勤務し、そこで電磁気学、静電気と大気電気、空中放射能、室内気候の授業を担当しました。 退職後、彼は研究室、自宅、タイに時間を割き、静電気に関する記事を執筆したり、料理教室に参加したりしました。 ヨナッセン氏は2006年に亡くなった。

静電気放電dmr。 スタティックニールズ・ジョナセン静電気

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