คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันราชภัฏสวนดุสิต*

กองบำรุงรักษาระบบไฟฟ้า การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค**

ทุกท่านคงรู้จักและเคยสัมผัสกับไฟฟ้าสถิตมาไม่มากก็น้อยอาจจะมีประสบการณ์ที่แตกต่างกันไป สำหรับไฟฟ้าสถิตที่เกี่ยวข้องกับงานอุตสาหกรรมนั้น กลับมีทั้งคุณประโยชน์กับอุตสาหกรรมบางประเภทเช่น เครื่องฟอกอากาศ,เครื่องกรองฝุ่น,เครื่องพ่นสีโดยใช้หลักการไฟฟ้าสถิตในอุตสาหกรรมรถยนต์และอื่นๆอีกมากมาย แต่อุตสาหกรรมบางประเภทนั้นไม่ประสงค์จะให้เกิดไฟฟ้าสถิตขึ้นเลยในกระบวนการผลิตหรือประกอบเลย อาทิเช่นอุตสาหกรรมอิเลคทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ เนื่องจากการที่เราไม่ทำการควบคุมไฟฟ้าสถิตระอยู่ระดับที่เหมาะสมอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์เหล่านั้นก็อาจจะเกิดความเสียหายเนื่องจากไฟฟ้าสถิตได้ บทความนี้จะทำให้ท่านทราบถึงการเกิดไฟฟ้าสถิต และการป้องกันและลดการเกิดไฟฟ้าสถิตเพื่อมิให้ทำความเสียหายแก่สินค้าหรือผลิตภัณฑ์ของท่าน

ไฟฟ้าสถิตจะเกิดขึ้นจากการสัมผัสและหลังจากนั้นมีแยกวัสดุออกจากกัน ซึ่งวัสดุนั้นอาจจะเป็น ของแข็ง,ของเหลว หรือก็าซก็ได้ เมื่อมีวัสดุทั้งสองชนิดเป็นฉนวนมีการสัมผัสกันจะมีประจุบางส่วน(Electrons)จะถูกถ่ายโอนจากวัสดุฉนวนชิ้นหนึ่งไปสู่วัสดุฉนวนอีกชิ้นหนึ่ง และเมื่อฉนวนทั้งสองชิ้นถูกแยกออกจากกัน ประจุดังกล่าวก็ไม่อาจจะกลับไปยังวัสดุฉนวนเดิมได้ ดังนั้นประจุดังกล่าวก็จะไม่สามารถเคลื่อนที่ในวัสดุฉนวนได้ ซึ่งถ้าวัสดุทั้งสองเป็นกลางแล้วก็จะเกิดประจุบวกขึ้นในวัสดุฉนวนชิ้นหนึ่งและเกิดประจุลบกับวัสดุอีกชิ้นหนึ่ง

โดยวิธีข้างต้นจะทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตโดยอ้างอิงจาก Triboelectric effect ซึ่งบางวัสดุจะซึมซับอิเลค ตรอนได้ง่าย แต่ในขณะเดียวกันวัสดุบางประเภทก็จะสร้างอิเลคตรอนขึ้นได้ง่าย สำหรับอนุกรม Triboelectric นั้นจะเป็นการแสดงรายละเอียดของวัสดุชนิดต่างๆที่จะสร้างประจุอิเลตตรอนขึ้น ดังตารางที่ 1 วัสดุที่อยู่ด้านบนสุดของตารางจะสร้างอิเลคตรอนได้ง่ายซึ่งทำให้มีการรับประจุบวกได้ง่าย แต่สำหรับวัสดุที่อยู่ด้านล่างของตารางนั้นจะซึมซับอิเลคตรอนได้ง่ายซึ่งทำให้มีการรับประจุลบได้ง่าย ซึ่งท่านผู้อ่านควรจะจำไว้น่ะครับแต่ถึงอย่างไรค่าในตารางที่ 1 ก็เป็นเพียงการประมาณเท่านั้น

เมื่อวัสดุสองชนิดมีการสัมผัสกัน อิเลคตรอนจะถูกถ่ายโอนจากวัสดุที่อยู่ด้านบนของตารางที่ 1 ไปยังวัสดุที่อยู่ต่ำกว่าในตารางที่ 1 แต่ถึงอย่างไรก็ตามระยะห่างในระดับชั้นของวัสดุในตารางที่ 1 ก็มิได้แสดงถึงขนาด(Magnitude)ของประจุที่ถูกสร้างขึ้นโดย Triboelectric effect ทั้งหมด แต่ขนาดของประจุที่แท้จริงนั้นไม่เพียงแต่จะขึ้นอยู่กับลำดับของวัสดุในตารางที่ 1 แต่จะประกอบด้วยปัจจัยอื่นๆอีกอาทิเช่น ความสะอาดของพื้นผิววัสดุ,แรงกดหรือการแนบแน่นในการสัมผัสระหว่างวัสดุ,ปริมาณการเสียดสี,พื้นที่ที่มีการสัมผัส,ความเรียบของวัสดุและความเร็วของการทำให้วัสดุแยกออกจากกัน แต่ถึงอย่างไรก็ตามการเกิดประจุนั้นก็สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน เมื่อวัสดุสองชนิดเป็นวัสดุชนิดเดียวกันและมีการสัมผัสและเกิดการแยกจากกัน ดังตัวอย่างที่เห็นได้อย่างชัดเจนก็เช่น รกระเป๋าหรือแฟ้มพลาสติก หรือการแยกแผ่นใสสำหรับการบรรยายออกจากกัน

ตารางที่ 1 Triboelectric Series

โดยความสัมพันธ์ระหว่างประจุ,แรงดันไฟฟ้า และคาปาซิแตนซ์นั้นได้แสดงดังสมการข้างล่างนี้

ดังได้กล่าวมาแล้วข้างต้นเมื่อวัสดุสองชิ้นถูกแยกออกจากกันก็จะทำให้ประจุ(Q)ที่ไม่สมดุลย์เหลืออยู่คงที่ ดังนั้นก็จะทำให้ VC เป็นค่าคงที่ แต่เมื่อวัสดุสัมผัสเข้าด้วยกันค่าคาปาซิแตนซ์จะมีค่าสูงมากแต่ในขณะนั้แรงดันไฟฟ้าจะมีค่าต่ำ แต่เมื่อวัสดุแยกออกจากกันก็จะทำให้ค่าคาปาซิแตนซ์ลดลงและก็จะทำให้แรงดันไฟฟ้ามีค่าเพิ่มขึ้น ดังตัวอย่างถ้า ค่าคาปาซิแตนซ์มีค่าเท่ากับ 75 pF และประจุมีค่าเท่ากับ 3m C ก็จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ามีค่าสูงถึง 10,000 โวลท์

ดังนั้นทั้งวัสดุตัวนำและฉนวนจะมีการเกิดประจุได้ง่ายเมื่อมีการสัมผัสและแยกออกจากวัสดุฉนวนอื่นๆ ซึ่งการที่วัสดุมีการสัมผัสอย่างแนบแน่นนั้นก็ส่งทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตเพิ่มขึ้นนั่นเอง และถ้าความเรียบของพื้นผิวที่ดีก็จะส่งผลทำให้การถ่ายโอนประจุได้ดีขึ้น ความรวดเร็วในการแยกระหว่างวัสดุก็จะทำให้ประจุไม่สามารถถ่ายโอนกลับได้ทำให้มีการเพิ่มประจุและแรงดันไฟฟ้าที่พื้นผิวเพิ่มขึ้น

ตารางที่ 2 ได้แสดงระดับแรงดันไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นในสภาวะต่างๆ การเกิดแรงดันไฟฟ้าสถิตระหว่าง 10 kV. ถึง 20 kV. สามารถเกิดขึ้นจากวัสดุที่มีใช้งานอยู่ในที่พักอาศัยและสำนักงานที่สภาวะแวดล้อมไม่เหมาะสม

การปล่อยประจุของไฟฟ้าสถิตโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นเป็น 3 ขั้นตอนดังนี้ (1)ประจุจะเกิดจากวัสดุที่เป็นฉนวน,(2)ประจุดังกล่าวจะถูกถ่ายโอนไปยังวัสดุที่เป็นตัวนำโดยการสัมผัสหรือการเหนี่ยวนำ,และ(3)ประจุที่อยู่บนตัวนำและเมื่ออยู่ใกล้กับโลหะซึ่งโดยทั่วไปจะมีการทำระบบกราวด์ ก็จะให้มีการปล่อยประจุเกิดขึ้น

ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณเดินบนพรม รองเท้าของคุณ(โดยทั่วไปจะเป็นวัสดุที่เป็นฉนวน)จะรับประจุเมื่อรองเท้าของคุณสัมผัสและแยกจากพื้นพรม จากการรับประจุดังกล่าวก็จะถูกถ่ายโอนไปยังร่างกายคุณ(ซึ่งตัวคุณเป็นตัวนำ) และเมื่อคุณไปสัมผัสกับวัสดุที่เป็นโลหะซึ่งได้มีการทำระบบกราวด์หรือไม่ก็ตาม ก็จะทำให้เกิดการปล่อยประจุขึ้น เมื่อมีการปล่อยประจุไปยังวัตถุที่ไม่ทำระบบกราวด์(เช่นลูกปิดประตู)ขึ้น การปล่อยประจุดังกล่าวก็จะทำให้เกิดค่าคาปาซิแตนซ์ขึ้นระหว่างวัตถุที่คุณจับกับกราวด์ขึ้น

ตารางที่ 2 ระบบแรงดันไฟฟ้าสถิตบนร่างกายมนุษย์

รูปที่ 1 ประจุที่อยู่บนตัวนำที่เป็นกลางที่อยู่ใกล้เคียงกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสถิต

การสะสมประจุบนวัตถุนั้นจะเป็นการสะสมค่าคาปาซิแตนซ์บนวัตถุ โดยทั่วไปเราคิดว่าค่าคาปาซิแตนซ์จะเกิดขึ้นระหว่างการขนานแผ่น plate แต่อย่างไรก็ตามวัตถุทั่วไปก็จะมีปล่อยค่าคาปาซิแตนซ์อิสระ ( Free-space capacitance) ของวัตถุแต่ละชนิดอยู่แล้ว โดยแผ่น plate ที่สองจะอยู่ในระยะอนันต์(infinity) ดังนั้น ค่าคาปาซิแตนซ์ในวัตถุจะมีค่าในน้อยมาก โดยค่าคาปาซิแตนซ์อิสระของรูปทรงของวัตถุที่ไม่แน่นอนนั้นก็จะเป็นการหาค่าจากพื้นที่ผิววัตถุ ดังนั้นค่าคาปาซิแตนซ์อิสระสามารถประมาณได้โดยการพิจารณาจากรูปทรงเลขาคณิตง่ายๆของทรงกลมซึ่งจะเหมือนกับพื้นที่ผิววัตถุ

เมื่อ และเป็นรัศมีของสองทรงกลม(>) และเป็นค่าไดอิเร็กตริกคงที่ของขอบเขตระหว่างสองทรงกลม

ค่า Free Spare ถ้ารัศมีของทรงกลมด้านนอกที่ระยะเป็นอนันต์ดังนั้น สมการที่2 จะเป็น

เมื่อเป็นรัศมีของทรงกลมในหน่วยเป็นเมตร ในสมการที่ 3 จะเป็นการแสดงถึงค่าคาปาซิแตนซ์ของวัตถุในที่ว่างเปล่า(Space) และสามารถใช้ประมาณค่าของคาปาซิแตนซ์ต่ำสุดของวัตถุต่างๆ ตัวอย่างเช่นมนุษย์มีการประมาณพื้นที่ผิวเทียบเท่ากับทรงกลมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1 เมตร ดังนั้นจากสมการที่ 3 ค่าคาปาซิแตนซ์สำหรับร่างกายมนุษย์ประมาณ 50 pF และพื้นดินมีค่า Free-space capacitance มีค่ามากกว่า สำหรับค่าคาปาซิแตนซ์กับวัตถุที่อยู่ข้างเคียงได้แสดงดังรูปที่ 3

การสะสมของประจุบนวัตถุ โดยทั่วไปแล้วจะปล่อยประจุไม่หนึ่งในสองวิธีนี้คือการรั่วหรือการอาร์กของประจุ ดังนั้นแนวทางที่ดีเราควรหลีกเลี่ยงการปล่อยประจุด้วยการอาร์กและให้การปล่อยประจุบนวัตถุเป็นแบบรั่วเป็นสิ่งที่ดีกว่า ประจุสามารถรั่วหรือค่อยๆปล่อยออกจากวัตถุผ่านอากาศได้ซึ่งจะสัมพันธ์กับค่าความชื้นในอากาศด้วย ซึ่งเมื่อค่าความชื้นในอากาศมีค่าสูงก็จะทำให้การปล่อยประจุออกจากวัตถุได้รวดเร็วขึ้น และประจุบนวัตถุนั้นสามารถเร่งให้เกิดการปล่อยประจุออกได้ด้วยโดยใช้เครื่อง Ionizer ดังรูปที่ 4 ซึ่งจะเป็นการเป่าอากาศที่มีประจุมีขั้วตรงกันข้ามกับขั้วประจุที่อยู่บนวัตถุ โดยไอออนจะที่ปล่อยออกจากเครื่องดังกล่าวจะไปสัมผัสหรือติดกับวัตถุและจะทำให้วัตถุดังกล่าวกลายเป็นวัตถุที่เป็นกลาง ซึ่งถ้ามีการปล่อยไอออนมากก็จะทำให้วัตถุกลายเป็นวัตถุที่เป็นกลางได้อย่างรวดเร็วเช่นกัน

การรั่วของประจุที่วัตถุเป็นตัวนำนั้นเราสามารถทำให้เกิดขึ้นได้โดยการทำระบบกราวด์กับวัตถุนั้น ซึ่งการทำระบบกราวด์นั้นอาจจะทำเป็นแบบ Hard Ground (ค่าอิมพีแดนซ์มีค่าใกล้ศูนย์)หรือเป็นแบบ Soft Ground (ค่าอิมพีแดนซ์มีค่าค่อนข้างสูงซึ่งโดยทั่วไปจะเป็น Megaohm ซึ่งจะเป็นการจำกัดการไหลของกระแสไฟฟ้า) ดังนั้นร่างกายของมนุษย์ซึ่งเป็นสื่อตัวนำทางไฟฟ้า(Conductive)การทำระบบกราวด์นั้นจะทำได้โดยใช้สายรัดข้อมือ(Wrist strap) ดังรูปที่ 5 ซึ่งจะทำการปล่อยประจุออกจากร่างกายประจุ แต่อย่างไรก็ตามการทำระบบกราวด์ของมนุษย์นั้นจะมิได้ทำการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตออกจากเสื้อผ้า(ซึ่งไม่เป็นสื่อทางไฟฟ้า)หรือจากวัตถุที่เป็นพลาสติกที่อยู่บนมือของมนุษย์ เช่นถ้วยกาแฟพลาสติก ดังนั้นการที่เราจะลดไฟฟ้าสถิตออกจากวัตถุดังกล่าวจะสามารถทำได้โดยปล่อยประจุจากเครื่อง Ionization เพื่อให้วัถตถุเกิดความเป็นกลางหรือการทำให้ค่าความชื้นสัมพัทธ์ภายในห้องให้มีค่าสูงขึ้น และระบบกราว์ที่ใช้กับมนุษย์นั้นเราควรจะหลีกเลี่ยงการทำระบบกราวด์ที่เป็นแบบ Hard Ground เนื่องจากเราต้องตระหนักถึงความปลอดภัยซึ่งถ้ามนุษย์หรือพนักงานเราไปสัมผัสกับระบบไฟฟ้าโดยตรงหรือไฟฟ้าลัดวงจรขึ้นโดยไม่ตั้งใจก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกายได้อย่างสะดวกขึ้นซึ่งจะทำให้มนุษย์หรือพนักงานเราเกิดอันตรายถึงขั้นเสียชีวิตได้ ดังนั้นค่าอิมพีแดนซ์ต่ำสุดที่ใช้เพื่อทำระบบกราวด์กับมนุษย์นั้นควรจะใช้ที่ค่าประมาณ 250 kOhms.(โดยทั่วไปสายรัดข้อมือจะใช้ค่าอิมพีแดนซ์เท่ากับ 1 Mohms.ต่อกับระบบกราวด์) ซึ่งการต่อค่าอิมพีแดนซ์ที่มีค่าสูงก็จะทำให้ใช้เวลานานในการปล่อยประจุออกจากร่างกายของมุนษย์เช่นกัน

เนื่องจากการปล่อยประจุจากวัตถุนั้นจะต้องมีระยะเวลาของการปล่อยประจุด้วย โดยค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับ Decay Time ซึ่งเวลาดังกล่าวจะเป็นเวลาตั้งแต่ประจุเริ่มลดลงโดยเทียบเป็นเปอร์เซนต์กับค่าประจุเริ่มต้น ซึ่งค่าDecay Time (บางครั้งเราอาจจะเรียกว่า Relaxation time)จะมีค่าเท่ากับ

เมื่อเป็นค่าคงที่ Dielectric ของวัสดุและเป็นค่าสภาพนำทางไฟฟ้า(Conductivity) ซึ่งDecay Time ยังสามารถเขียนให้อยู่ในรูปของค่าสภาพต้านทานทางไฟฟ้า(Resistively) ของวัสดุ