Hodanje i problemi elektrostatike, 3. dio Mjerenje elektrostatičkih svojstava podnih površina i obuće

Uzemljivanje podne površine
Postoje mnogi – bolji ili manje dobri – načini uzemljenja podne površine. Neka od rješenja znaju biti i posve nelogična, a mjesta uzemljenja odabrana nestručno, npr. na vodovodnim instalacijama ili gromobranima. Često se pritom koriste i predebeli vodovi za uzemljenje ili se pak mekane bakrene trake za uzemljenje ostavljaju mehanički neosigurane.

k31-Knez-00-250.jpgUzemljenje podne površine najbolje je izvesti kao priključak »na zemlju« ili na »ekvipotencionalnu zemlju«, dok je točka uzemljenja »šuko« kontakt odnosno na žuto -zelenoj žici u mreži 230 V / 50 Hz. Ovaj žuto – zeleni sustav u dovodima s 230 V / 50 Hz dovoljno je gusto postavljen, električno dobar, redovito kontroliran i pouzdan sustav uzemljivanja.

Za povezivanje od uzemljenja podne površine do »šuko« kontakta ne koriste se žuto -zelene žice, jer ove boje u električnim instalacijama imaju svoju jedinstvenu funkciju. Dobro je ako se samo mjesto uzemljenja na podu još i označi. Takva oznaka kasnije pomaže prilikom mjerenja za sve vrste i namjene neke podne površine. Takve naljepnice imaju posebnu EBP (Electrostatic Bonding Point) oznaku.

Električna shema naelektriziranosti ljudskoga tijela tijekom hodanja
Prepoznavanje elektrostatike od strane čovjeka je vrlo relativno. Naravno, laičko utvrđivanje to i može podnijeti, ali za točnija, usporediva ocjenjivanja elektrostatike koja se mogu i ponavljati to svakako nije dostatno.

Kako je elektrostatika električni fenomen, najučinkovitije je da se ljudsko tijelo pretvori u model električnog strujnog kruga. Takav se model naziva HBM model (Human Body Model), ali se kod mjerenja elektrostatike tijekom hodanja još naziva i Dinamičkim testom hodanja (Walking test), a ponekad i »Naponom u dlanu ruke«. Otkud ovaj posljednji naziv za model? Elektrostatički napon mjeri se na dlanovima ruku, jer se upravo dlanovima dodiruju razni predmeti i jedna osoba drugu. Tako kroz vrške prstiju najčešće dolazi do električnog pražnjenja, a na vršcima prstiju osjećamo i elektrostatičko pražnjenje.

k31-Knez-00-300.jpgKada bismo napon naelektriziranosti ljudskoga tijela mjerili na kojem drugom dijelu tijela, ne bi bilo značajnijih razlika u naponu, jer je ljudsko tijelo dobro električno provodno i zato je napon naelektriziranosti ravnomjerno porazdijeljen po čitavom tijelu.

U HBM modelu ljudskoga tijela onaj »unutarnji« električni kondenzator tijela ima naspram »zemlje« približnu kapacitivnost od 100 pF. Taj kondenzator sabire i zadržava elektrostatički naboj u sebi. Prilikom pražnjenja iz tog kondenzatora istječe struja. Ugrađen »unutarnji« ohmski otpor tijela od 1.500 Ω određuje brzinu pražnjenja (kao i punjenja) kondenzatora. U elektrostatici, otpor od 1.500 Ω ne predstavlja neki veliki otpor i radi se o kratkom električnom spoju. Zbog tog nas kratkog spoja zna rado i uzdrmati prilikom dodirivanja nečega vrškom prsta!

Količina sakupljene elektrostatičke energije u kondenzatoru ovisna je, naravno, o naponu naelektriziranosti. U slučaju hodanja, to je onaj napon koji se ostvaruje tijekom hodanja. Napon kondenzatora zadržava sabranu električnu energiju, što se može izračunati prema sljedećoj jednadžbi
W = ½ *(C * U2)
pri čemu je C – kapacitivnost tijela od 100 pF, a U – napon u dlanovima ruku.

Sabrana kapacitivna energija ovisna je o kvadratu napona naelektriziranosti. To znači da će hodanje po elektrostatičkoj podnoj površini (dvaputa lošijoj) biti elektrostatički četiri puta problematičnije, premda se tijekom hodanja stvara dva puta veći elektrostatički napon.

k31-Knez-01-300.jpgAko elektrostatička naelektriziranost čovjeka tijekom hodanja iznosi npr. 3.000 V, on će u sebi zapravo nositi električnu energiju od 450 μWs (450 μJ). Taj nam podatak govori koliko je energije pripravno da se – u slučaju dodira s nečijom rukom – oslobodi kroz zrak. Tako u eksplozijama izloženom području znamo koliko energije može predati neka naelektrizirana osoba. Ako uz to još znamo i koliko je energije potrebno za zapaljenje nekog opasnog materijala, vidimo koliko bi opasno moglo biti čak i hodanje unutar takvog eksplozijski opasnog prostora.

Izračunata elektrostatička energija oslobađa se na uzemljene predmete. Ako predmeti nisu uzemljeni ili imaju suprotan polaritet naelektriziranosti, takvi slučajevi pražnjenja mogu biti i mnogo neugodniji. Za predmete koristimo njihovu kapacitivnost. Tako primjerice kapacitivnost automobila iznosi približno 500–1.000 pF, a kapacitivnost izolirane posude 100–200 pF, itd.

Pogrešno je mišljenje da elektrostatika koja nastaje tijekom hodanja loše utječe na naš organizam. Protjecanja energije po tijelu, snage od nekoliko μWs, ne mogu nam naštetiti, odnosno mogu dovesti tek do mogućeg osjećaja neugode na vršcima prstiju. Tek energetska pražnjenja koja su veća od 5 Ws mogu u tijelu ostaviti posljedice.

U praksi se često puta elektrostatička naelektriziranost nastala tijekom hodanja pogrešno provjerava instrumentom za mjerenje jakosti električnog polja.

k31-Knez-02-200.jpgInstrument za mjerenje jakosti električnog polja ima posve drugu ulogu u analiziranju elektrostatičkih pojava, jer njime mjerimo elektrostatičko polje oko naelektriziranih predmeta.

Već je bilo spomenuto da je unutarnji električni otpor čovjeka dosta nizak te da iznosi približno 1.500 Ω. Dakle, kad osoba hoda bosih nogu po podlozi, njezin električni otpor prema podlozi iznosi 1.500 Ω. No, kada navučemo debele zimske čizme s gumenim ili poliuretanskim potplatima, otpor tijela prema podnoj površini drastično se povećava.

Kako ispitati obuću i pronaći onu, koja se tijekom hodanja neće naelektrizirati?
Obuća koju treba nositi u područjima sa zahtijevanom elektrostatičkom zaštitom izrađuje se na poseban način. Za izradu ove vrste obuće proizvođač koristi posebne materijale i konstrukciju te na njoj obavlja i posebna laboratorijska mjerenja, kako bi osigurao uvjerenje o tome da je obuća »antistatički« odgovarajuća.
k31-Knez-03-300.jpgDa bismo utvrdili i potvrdili otpore na uzemljenje kod već nošenih ili običnih, svakodnevnih vrsta obuće, potrebno je obaviti jednostavno mjerenje. Osoba stoji u obući koja se ispituje na metalnoj ploči, kako je vidljivo na fotografiji. Električni otpor metalne podloge je vrlo nizak i zanemariv. Kako električni otpor same osobe iznosi svega 1.500 Ω, i on se može zanemariti. Tako možemo ustvrditi da usporedno mjerimo samo električni otpor obiju cipela.

Takva se mjerenja redovito izvode u elektronskoj industriji, gdje su propisi vrlo strogi i potanko razrađeni, a dopuštena naelektriziranost djelatnika vrlo niska. Prilikom mjerenja se koristi standardizirana mjerna elektroda, koju osoba drži u ruci. I svojstva mjernog instrumenta su točno određena: izmjereni napon otpora nikada ne smije premašiti 100 V. Prije mjerenja treba izmjeriti i zabilježiti još i temperaturu zraka te relativnu vlažnost zraka. Neki mjerni instrumenti imaju mjerni modul već ugrađen u svoje kućište.
Navlaženost strukture obuće poboljšava električnu provodljivost pa stoga obuća prije mjerenja mora biti nošena najmanje10 minuta. Za podrobnija mjerenja može se izmjeriti i otpor svake cipele zasebno.

k31-Knez-05-300.jpgAko je izmjereni otpor osobe manji od 35 MΩ, možemo očekivati da se tako obuvena osoba neće naelektrizirati tijekom hodanja po podu koji je izrađen i položen tako, da ne stvara naelektriziranost. Laički možemo reći da osoba nosi »antistatičku« ili ESD obuću, odnosno da izmjereni otpor ukazuje na elektrostatička disipativna svojstva obuće. Takva obuća tijekom hodanja ne uzrokuje naelektriziranost, a ako do nje ipak dođe, ljudsko je tijelo dovoljno dobro uzemljeno da tijekom hodanja dolazi do pražnjenja preko odgovarajuće podne površine, koja je sposobna sprovoditi električnu struju.

Ako je izmjereni otpor veći od 35 MΩ, naelektriziranost može nastati i tijekom hodanja po dobroj »antistatičkoj« površini.
Ondje gdje treba obavljati stalni nadzor nad svojstvom uzemljenosti obuće – što se npr. svakodnevno radi u elektronskoj industriji – umjesto mjernih instrumenata na ulazima se koristi naprava za testiranje otpora obuće zaposlenih. Ukoliko je otpor veći od 35 MΩ, zaposleni se ne smiju zaputiti na svoje radno mjesto, kako ne bi izazvali kvar proizvoda uslijed prekomjerne naelektriziranosti.

Danijel Knez, dipl. ing. el.
Fotografije: arhiv autora, arhiv Wolfgang Warmbier

PODIJELI