WPROWADZENIE
„Elektryczność Statyczna” jest popularnym, wieloznacznym terminem na określenie zarówno ładunku elektrostatycznego (ES),  jak i zjawisk jego powstawania, kumulowania i zaniku.

Zjawiska elektrostatyczne są znane od czasów starożytnych. Przez wieki, za wyjątkiem wyładowań atmosferycznych, nie stwarzały istotnego zagrożenia dla człowieka. Jednak rewolucja technologiczna w XIX i XX wieku zmieniła tę sytuację. Rozwinęło się na masową skalę przetwórstwo materiałów sypkich, wytwarzanie, transport i magazynowanie paliw, gazów i cieczy palnych, opanowano technologie wytwarzania i powszechnie zaczęto stosować materiały syntetyczne. Powszechne stały się materiały łatwo i silnie elektryzujące się (materiały syntetyczne w postaci zwartej, sypkiej i ciekłej, paliwa czy pyły) jak również pojawiły się duże objętości atmosfer palnych. W ten sposób spełnione zostały niezbędne i czasami wystarczające warunki do pojawienia się niekontrolowanych wyładowań elektrostatycznych, zdolnych do zapłonu atmosfer wybuchowych. W środowisku pracy, ale także w środowisku życia, pojawiły się zagrożenia elektrostatyczne.

Prawie każdy współczesny człowiek, żyjący w naszym kręgu cywilizacyjnym, zetknął się z przykrymi lub bolesnymi wyładowaniami elektrostatycznymi, jednak tylko nieliczni zdają sobie sprawę, że wyładowania, te zauważalne jak również te znacznie słabsze, nie odczuwalne, zdolne są wywołać zapłon znacznej liczby różnych atmosfer palnych, z którymi możemy się spotkać także w życiu codziennym. Ochrona przed zagrożeniami elektrostatycznymi jest stosunkowo trudna, gdyż bardzo często nie można przewidzieć ich intuicyjnie, kierując się życiowym doświadczeniem. Zapobieganie im wymaga odpowiedniej wiedzy, która z reguły nie jest łatwo dostępna. Dlatego też, mimo wymagań stawianych przez odpowiednie przepisy, normy i procedury ochronne, ciągle jeszcze dochodzi na świecie i w kraju do groźnych pożarów i wybuchów, z ofiarami w ludziach, inicjowania przez wyładowania elektrostatyczne.

Szczególną formą zaniku ładunku ES są wyładowania elektrostatyczne (ang. ESD), czyli krótkie impulsy prądowe pojawiające się w przestrzeni pomiędzy obiektami o odpowiednio dużej różnicy potencjałów elektrostatycznych, prowadzące do całkowitego lub częściowego zaniku ładunku ES na tych obiektach. Ponieważ czas trwania wyładowań jest stosunkowo krótki, od kilkudziesięciu nanosekund do kilkuset mikrosekund, to dochodzi do powstawania impulsów o bardzo dużych mocach, wystarczających do zapłonu atmosfer wybuchowych, rażenia pracowników, uszkodzeń przyrządów półprzewodnikowych. Przez zagrożenia elektrostatyczne rozumie się potencjalną możliwość zaistnienia wymienionych skutków wyładowań elektrostatycznych.  Za wyjątkiem rażeń, wyładowania elektrostatyczne mogą zagrażać zdrowiu lub życiu jedynie w sposób pośredni.

Zagrożenia elektrostatyczne można podzielić na trzy grupy:

1. Możliwość wystąpienia rażenia elektrostatycznego, czyli wyładowania elektrostatycznego bezpośrednio przez ciało człowieka;
2. Możliwość spowodowania zapłonu mediów palnych i wybuchowych i w konsekwencji spowodowanie pożaru lub wybuchu;
3. Możliwość uszkodzenia lub zakłócenia pracy elektronicznych urządzeń półprzewodnikowych, wchodzących w skład aparatury kontrolno-pomiarowej nadzorującej bezpieczny przebieg procesów technologicznych, lub aparatury medycznej diagnostycznej lub podtrzymującej procesy życiowe.

 

RAŻENIA ELEKTROSTATYCZNE
Rażenia (pojęcie stosowane w ochronie antystatycznej ) są odczuwalnymi przez człowieka skutkami wyładowania elektrostatycznego bezpośrednio przez ciało. W zależności od wartości ładunku przenoszonego w czasie wyładowania, mogą być tylko ledwie odczuwalne, wyraźnie odczuwalne, przykre, bolesne, powodujące skurcze mięśni aż po utratę świadomości, zaburzenie lub zatrzymanie akcji serca.

W praktyce (w środowisku pracy i życia) większość przypadków rażeń dotyczy wyładowań z naelektryzowanego ciała człowieka przy kontakcie z obiektem przewodzącym (w tym także z innym człowiekiem). Obiekt przewodzący może być uziemiony lub nie, jednak rażenie jest silniejsze przy kontakcie z obiektem uziemionym.  Ponieważ maksymalny potencjał elektrostatyczny naelektryzowanego ciała człowieka zazwyczaj nie przekracza 20 kV (przy wyższych potencjałach następuje niskoenergetyczne wyładowanie ulotowe, ograniczające ładunek), to nie jest możliwy efekt patofizjologiczny. Możliwe jest natomiast odczucie silnego, przykrego ukłucia i gwałtowny odruch uniku.

W przypadku kontaktu z dużymi obiektami naelektryzowanymi, których pojemność elektryczna jest większa od pojemności ciała człowieka, możliwy jest w skrajnych przypadkach skurcz mięśni, zaburzenie rytmu serca lub jego zatrzymanie, jednak takie sytuacje są bardzo rzadkie.

Najbardziej niebezpiecznym efektem rażenia jest gwałtowny, odruchowy unik, mogący doprowadzić do upadku, uderzenia itp., a w rezultacie do zranień, poważnych obrażeń i uszkodzeń ciała, a w bardzo rzadkich przypadkach do śmierci. Niestety statystyka takich wypadków nie jest znana.

Wyniki badań percepcji rażeń elektrostatycznych prowadzone przez Guderską pokazano w tabeli.

Z kolei amerykański ekspert w dziedzinie ochrony przeciwwybuchowej, Britton podaje typowe progi odczuć i reakcji rażenia gołej dłoni, w zależności od energii wyładowania elektrostatycznego powodującego rażenie,  jak niżej:

0,5 – 2 mJ – próg odczuwania,
1 – 10 mJ – różne poziomy uciążliwości,
15 – 25 mJ – rażenie przykre,
250 mJ – poważne rażenie,
1 – 10 J – możliwa utrata przytomności,
powyżej 10 J – możliwe zatrzymanie akcji serca.

Występowaniu ładunków elektrostatycznych, nierozerwalnie towarzyszy występowanie pola elektrostatycznego. Jego natężenie w powietrzu nie może być większe od 3 ok. MV/m (30 kV/cm), gdyż po przekroczeniu tej wartości rozpoczyna się samoistne wyładowanie elektrostatyczne, prowadzące do zaniku ładunku i pola elektrostatycznego. Ekspozycja ciała człowieka na pole elektrostatyczne o wartości natężenia mniejszej od 3 MV/m, nie powoduje żadnych skutków zdrowotnych, gdyż pole elektrostatyczne, jak również pole elektryczne wolnozmienne, nie wnika do wnętrza ciała (tłumienie większe od 1012 razy, czyli od 240 dB) . Przewodność ciała ludzkiego, w tym także skóry i naskórka jest wystarczająco duża, aby doszło do ekranowania wnętrza ciała, przez ładunek indukowany na jego powierzchni.

Rodzaje rażeń elektrostatycznych i reakcje ludzi naelektryzowanych, dotykających palcem uziemionej elektrody

Wartość potencjału przed rażeniem, kV	Reakcja lub odczucie osoby badanej	Energia zgromadzona w pojemności elektrycznej osoby badanej, mJ
wartości progowe kobiety: 2,3 mężczyźni: 2,4	delikatne dotknięcie lub ukłucie	kobiety: 0,05 – 0,6 mężczyźni: 0,05 – 0,8
5	ukłucie lub dotkniecie w opuszek, impuls wzdłuż palca	0,8 – 1,2
8	mocniejsze ukłucie i uderzenie w opuszek, impuls wzdłuż palca, lekki skurcz w palcu	2,0 – 2,3
12	mocne ukłucie lub uderzenie w opuszek, impuls wzdłuż palca (czasem aż do łokcia), skurcz lub szarpnięcie w palcu, odruch cofnięcia ręki	4,5 – 6,8
18	drgnięcie ciała, j.w.	10,2 – 15,2
25	impuls wzdłuż palca, czasem do łokcia, mocne uderzenie lub ukłucie w opuszek, drgnięcie ciała, odruch cofnięcia ręki	19,7 – 29
30	impuls wzdłuż palca i śródręcza aż do łokcia, uderzenie lub ukłucie w opuszek, skurcz lub szarpnięcie w palcu lub dłoni, gwałtowne cofnięcie ręki, drgnięcie ciała	28 – 42
40	impuls wzdłuż palca, śródręcza – czasem do barku, ból – głównie w palcu wskazującym, gwałtowne cofnięcie ręki, uderzenie w palec, skurcz lub szarpnięcie w palcu lub w dłoni, obawa przed dotknięciem elektrody	50 – 75
48	impuls wzdłuż palca, śródręcza – czasem do barku, ból – głównie w palcu wskazującym, gwałtowne cofnięcie ręki, uderzenie w palec, skurcz lub szarpnięcie w palcu lub w dłoni, wyraźna obawa przed dotknięciem elektrody, odczuwane ruchy włosów na głowie	75 – 108

 

Pośrednim skutkiem ekspozycji na pole elektrostatyczne może być rażenie, jeśli osoba znajdująca się w odpowiednio silnym polu dotknie obiektu przewodzącego. Dochodzi wtedy do elektryzacji przez indukcję, co zilustrowano na rysunku. Przy natężeniu pola nie przekraczającym 10 kV/m, odczuwalne rażenia nie są możliwe.

Elektryzowanie ciała człowieka odizolowanego od ziemi, eksponowanego na pole (elektryzowanie przez indukcję). A – człowiek odizolowany, eksponowany na pole, pole wytwarzane jest przez naelektryzowany obiekt, B – człowiek zbliża się do obiektu naelektryzowanego, powodując wyładowanie ES, C – w wyniku wyładowania człowiek w rzeczywistości został naelektryzowany, D – po wyjściu z pola człowiek może spowodować kolejne wyładowanie, tym razem rozładowujące go.

ZAPŁON ATMOSFER WYBUCHOWYCH
 Atmosfera wybuchowa jest definiowana jako mieszanina substancji palnych w postaci gazów, par, mgieł lub pyłów z powietrzem, w warunkach atmosferycznych, w której po zapaleniu spalanie rozprzestrzenia się na całą nie spaloną mieszaninę (wg dyrektywy 94/9/WE). Wyróżnia się atmosfery pyłowe, gazowe (palne gazy lub pary substancji palnych, zazwyczaj cieczy), a także atmosfery hybrydowe, czyli mieszaniny atmosfer gazowych i pyłowych (np. metan i pył węglowy).

Minimalna energia wyładowania niezbędna do zapłonu atmosfery wybuchowej jest zwana minimalną energią zapłonu (MEZ). Jest wyznaczana jako taka minimalna energia zgromadzona w pojemności elektrycznej kondensatora wzorcowego, przy której wyładowanie iskrowe kondensatora w odpowiednim układzie elektrod, powoduje zapłon tej atmosfery.

MEZ atmosfer pyłowych, w zależności od materiału i stopnia rozdrobnienia, leży w zakresie od 1 mJ do powyżej 10 J.

MEZ atmosfer gazowych (zwłaszcza węglowodorowych) i aerozoli cieczy palnych leży w zakresie 0,1 do 0,3 mJ, za wyjątkiem najczulszych gazów takich jak wodór, acetylen, disiarczek węgla, etylen, tlenek etylenu, których MEZ jest rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu mikrodżuli.
Szczególnie niebezpieczne są atmosfery o podwyższonej w stosunku do atmosferycznej, zawartości tlenu. Wtedy wartości MEZ są od jednego do trzech rzędów wielkości mniejsze.

Własności zapalające różnych rodzajów wyładowań elektrostatycznych.
Wyróżnia się pięć podstawowych rodzajów wyładowania elektrostatycznych:

1. Wyładowania iskrowe pojemnościowe – zapalają wszystkie atmosfery wybuchowe
2. Wyładowania snopiaste rozprzestrzeniające się – zapalają wszystkie atmosfery wybuchowe
3. Wyładowania stożkowe – zapalają niektóre atmosfery pyłowe i wszystkie gazowe
4. Wyładowania snopiaste – zapalają wszystkie atmosfery gazowe, nie zapalają pyłowych, za wyjątkiem pyłów materiałów inicjujących
5. Wyładowania ulotowe – wyładowania o bardzo małej energii, mniejszej od 0,1 mJ, uważa się, że mogą zapalić najczulsze atmosfery gazowe o energii zapłonu poniżej 0,1 mJ lub atmosfery o zwiększonym stężeniu tlenu. Dyskusja nad prawdziwością tych twierdzeń nie jest jeszcze rozstrzygnięta.

Wyładowania elektrostatyczne iskrowe zachodzą między obiektami przewodzącymi stałymi lub ciekłym i stałym, jeżeli średnica krzywizny powierzchni obu elektrod przekracza 50 mm (wg niektórych opinii – 10 mm). Minimalna różnica potencjałów między obiektami musi przekraczać ok. 330 V.  Kanał plazmowy łączy obie elektrody (wyładowanie dwuelektrodowe), całkowicie rozładowuje obiekt naelektryzowany (wyładowanie zupełne).

 
Wyładowanie iskrowe

Wyładowania elektrostatyczne snopiaste rozprzestrzeniające się (Lichtenberga) są najgroźniejszymi wyładowaniami, o energii mogącej przekraczać 1 J. Występują, gdy powierzchnia cienkiego dielektryka, znajdującego się na powierzchni obiektu przewodzącego (powleczenie, farba itp.), zostaje naelektryzowana do poziomu gęstości ładunku przekraczającego 0,25 mJ/m2 (dotyczy to także swobodnej folii dielektrycznej naelektryzowanej dwustronnie). W obu przypadkach pole elektrostatyczne jest prawie w całości skupione we wnętrzu dielektryka. Do wyładowania może dojść w dwóch przypadkach: gdy nastąpi elektryczne przebicie dielektryka albo gdy do jego powierzchni zbliżony zostanie obiekt przewodzący. Wyładowanie ma charakter wielokanałowy, jest mało prawdopodobne, gdy grubość dielektryka przekracza 10 mm.

   
Wyładowanie snopiaste rozprzestrzeniające się: po lewej stronie – wyładowanie z powierzchni płaskiej dielektryka, po prawej stronie – wyładowanie z powierzchni rury wykonanej z izolatora, transportującej sypki dielektryk.

Wyładowania stożkowe (Maurera) występują na powierzchni dielektryków sypkich w silosach i innych dużych zbiornikach, między dielektrykiem a  ścianami silosa.   Ich energia sięga kilkudziesięciu mJ. Wg niektórych autorów występują także we wnętrzu pryzmy, choć wtedy trudno je zaobserwować.

Wyładowania stożkowe na powierzchni pryzmy sypkiego dielektryka w przewodzącym kontenerze

Wyładowania snopiaste występują między powierzchnią uziemionego obiektu przewodzące o średnicy krzywizny powierzchni od 5 do 50 mm a powierzchnią naelektryzowanego dielektryka stałego (zwartego lub sypkiego) lub ciekłego. Ich energia nie przekracza 4 mJ. Wymagają różnic potencjału rzędu kilkunastu kV lub większych. Kanał plazmowy nie osiąga powierzchni dielektryka, dlatego zalicza się je do wyładowań jednoelektrodowych. Nie rozładowują całkowicie naelektryzowanej powierzchni (wyładowania niezupełne).

 
wyładowanie snopiaste

 

Udział wyładowań elektrostatycznych w inicjacji wybuchów i pożarów.
Ustalenie przyczyn wybuchu post fatum jest zazwyczaj bardzo trudne.  Dlatego statystyki przyczyn wybuchów i pożarów są trudno dostępne i niepełne. Dlatego również ocena udziału wyładowań elektrostatycznych w tych zdarzeniach jest trudna i szacunkowa, stąd brak jest miarodajnych i pełnych statystyk, na temat tego zagrożenia.
Pewne wyobrażenie dają statystyki cząstkowe niektórych firm i instytucji. Wg nieoficjalnych szacunków, średnio codziennie dochodzi na świecie do jednego poważnego wybuchu lub pożaru zainicjowanego przez wyładowania elektrostatyczne. Wg szacunków amerykańskich, powodują ok. 9% wybuchów pyłu aluminiowego oraz są przyczyną ok. 10% wybuchów pyłów. W Niemczech w latach 1992-1995 zanotowano 30 zapłonów par benzyny. W USA w latach 2000-2004 Petroleum Equipment Institute zanotował 161 przypadków zapłonu paliw przez wyładowania elektrostatyczne. W Biuletynie Informacyjnym Państwowej Straży Pożarnej podano szacowaną za lata 1999 - 2000 liczbę pożarów spowodowanych przez wyładowania elektrostatyczne. W roku 1999 było ich prawdopodobnie 73 (ok. 0,05 % zanotowanych pożarów) a w 2000 – 32 (ok. 0,02% zanotowanych pożarów). Procentowo liczby te są niewielkie, jednak zdarzenia te mają często skalę katastrof i ponoszone są ofiary śmiertelne.

Należy podkreślić, że wyładowania elektrostatyczne nie są główną przyczyną wybuchów i pożarów, gdyż dysponują stosunkowo niewielkimi energiami w porównaniu z innymi czynnikami (np. udarami mechanicznymi powodującymi krzesanie iskier, iskrzeniem urządzeń elektrycznych, zjawiskami termicznymi, wyładowaniami atmosferycznymi). Przykładowo energia cieplna wydzielana w żarówce podręcznej latarki w ciągu np. 10 sekund jest rzędu 12 J, upadek przedmiotu o masie 1 kg z wysokości 1 m, powoduje wydzielenie się energii o wartości 9,81 J. Takie energie osiągają tylko bardzo rzadko występujące najsilniejsze wyładowania elektrostatyczne. Typowe energie wyładowań zawierają się w granicach od ułamków do kilkudziesięciu milidżuli. Właściwości zapalające wyładowań wynikają głównie z koncentracji energii wyładowania w bardzo małej objętości powietrza, w której temperatura osiąga lokalnie wartości rzędu 10 000K.

 

Najbardziej miarodajną i szczegółową statystyką przyczyn wybuchów są dane zebrane i opublikowane przez niemiecki instytut BIA (BIA-Report 11/97, Dokumentation Staubexplosionen. Analyse und Einzelfalldarstellung, HVBG, Sankt Augustin, 1997), zawierające analizę przyczyn ok. 600 wybuchów pyłów na terenie całych Niemiec w latach 1970-1995. Wyka z nich, że ESD były trzecią, co do liczności, przyczyną zapłonu atmosfer wybuchowych (ok. 8,5 % zapłonów atmosfer).

Udział poszczególnych czynników inicjujących wybuchy pyłów, wg BIA-Report 11/97

Można przypuszczać, że w przypadku przemysłu polskiego proporcje te są podobne. Stosując wskaźnik 8,5% do zarejestrowanej przez Komendę Główną Państwowej Straży Pożarnej  liczby wybuchów w Polsce w latach 1998-2007, można oszacować prawdopodobną liczę wybuchów spowodowanych przez wyładowania elektrostatyczne.

Liczba wybuchów atmosfer palnych w Polsce w latach 1998-2007 wg danych Komendy Głównej Państwowej Straży Pożarnej (podanych na stronie internetowej www.ipo.waw.pl) oraz oszacowana przez autora projektu prawdopodobna minimalna liczba wybuchów zainicjowanych przez ESD (założono, że co najmniej 8,5% wybuchów powodują ESD)

Rok	Liczba wybuchów gazów i par cieczy palnych	Liczba wybuchów pyłów palnych	Łączna liczba wybuchów atmosfer wybuchowych	Szacowana minimalna liczba zapłonów atmosfer wybuchowych, spowodowanych przez ESD
1	2	3	4	5
1998	218	19	237	20
1999	329	30	359	30
2000	292	32	324	27
2001	254	30	284	24
2002	257	31	288	25
2003	270	23	213	18
2004	259	35	294	25
2005	183	25	208	17
2006	202	21	223	19
2007	167	27	194	16
Razem	2 431	273	2 704	221

 

Dane w kolumnie 5. wskazują na poważny problem, jaki stwarza elektryczność statyczna. Nie jest dokładnie znana liczba zakładów pracy zagrożonych wybuchem atmosfer palnych. Ponieważ w ocenie ryzyka awarii prawdopodobieństwo wybuchu p=0,01 oznacza, że wybuch jest mało prawdopodobny ale możliwy, to można oszacować, że w krajowym przemyśle ryzyko wybuchu występuje co najmniej w ok. 3 tys. zakładów, a co najmniej w  ok. 300 z nich ryzyko zapłonu przez ESD jest statystycznie istotne.  

 

 WPŁYW NA URZĄDZENIA ELEKTRONICZNE

Wyładowania elektrostatyczne mogą mieć szkodliwy wpływ na przyrządy półprzewodnikowe oraz pracę urządzeń elektronicznych. Można tu wyróżnić następujące efekty:

1. Niszczące lub pogarszające parametry przyrządów półprzewodnikowych przebicia cienkich warstw izolacyjnych (tlenków metali) w strukturach układów scalonych, tranzystorów, warstw magnetorezystancyjnych itp. Z powodu bardzo małej grubości tych warstw (rzędu mikrometrów i nanometrów) ich wytrzymałość na przebicia jest mała (kilkadziesiąt do kilkuset V), znacznie mniejsza od typowych potencjałów np. naelektryzowanych osób (kilka do kilkunastu kV).
2. Niszczące stopienia i przerwania cienkich struktur przewodzących  w strukturach układów scalonych, tranzystorów itp. Impulsy prądowe wyładowań osiągają często natężenia rzędu kilku do kilkunastu amperów. Wprawdzie trwają one krótko, to jednak pojemność cieplna ścieżek przewodzących w przyrządach półprzewodnikowych jest zbyt mała, by wytrzymać powstający udar cieplny.
3. Wyładowania mogą następować bezpośrednio do/od przyrządu półprzewodnikowego, lub indukować w pobliskich przyrządach impulsy napięciowo/prądowe.
4. Wyładowania do/z aparatury elektronicznej mogą powodować  uszkodzenia przyrządów półprzewodnikowym wewnątrz obudowy, także niszczyć ścieżki obwodów drukowanych.
5. Wyładowaniom elektrostatycznym towarzyszy emisja pól elektromagnetycznych, które mogą indukować napięcia i prądy w obwodach pracujących urządzeń elektronicznych, powodując zmiany w treści informacyjnej przetwarzanej przez te układu i prowadząc do istotnych błędów w ich pracy. 

Uszkodzenia przyrządów półprzewodnikowych mogą występować na etapie ich produkcji, pakowania, transportu, sprzedaży, montażu gotowych urządzeń, serwisie oraz eksploatacji gotowych urządzeń. W gospodarce USA straty powodowane przez nie są liczone w miliardach dolarów. 
Na bezpieczeństwo pracy wpływają negatywnie wtedy, gdy dochodzi do uszkodzeń lub zaburzać w pracy urządzeń sterujących procesami technologicznymi, układami bezpieczeństwa itp.  Statystki wypadków spowodowanych takimi uszkodzeniami i zaburzeniami nie są znane. Ochrona antystatyczna urządzeń i elektronicznych i przyrządów półprzewodnikowych jest obecnie ważnym problemem gospodarki w krajach rozwiniętych technologiczne.