异物附着对策的Q&A

异物、灰尘附着在物体上的原因多种多样,静电与附着也有着密切的关联。

  1. 附着到金属体(导体)上的原理

    带电物体(异物及灰尘)靠近金属体(导体)时,金属体(导体)内部会发生“静电诱导”,位于金属体(导体)内部的自由电子会移动到物体表面,呈现物体表面带电的状态。
    这种静电诱导造成的电位差,以及异物、灰尘等的静电会引发库仑力的作用,发生相互吸引,也就是“附着”现象。

    附着到金属体(导体)上的原理
    1. A:金属体
    2. B:带电异物
  2. 附着到绝缘体上的原理

    附着的对象物为绝缘体时,就像磁铁的N极和S极相互吸引一样,极性相反的带电异物、灰尘,会在库仑力的作用下发生“附着”。

    附着到绝缘体上的原理
    1. A:绝缘体
    2. B:带电异物

正如Q1中所说,异物、灰尘附着到金属体上的原因,是带电异物、灰尘靠近金属体时引发的静电诱导,即使对金属体进行接地,也仍旧会发生静电诱导,所以非常遗憾,接地对防止异物、灰尘附着并无效果。

异物、灰尘附着的原理,会因对象物的材质(金属体(导体)还是绝缘体)而异,(参照Q1)所以理所当然的,计算吸引力大小的方法也有所不同。

  1. 附着到金属体(导体)上时

    如下图所示,求电荷为Q[C]的点电荷靠近金属体,在d[m]位置附近的吸引力。在金属体静电诱导的作用下,金属体内部会产生与靠近的点电荷具有相同静电力的点电荷−Q[C]。这被称为“镜像电荷”,相应的电荷力则被称为“镜像力”。

    镜像力
    镜像力
    公式
  2. 附着到绝缘体上时

    对于薄膜、片材等表面积/重量之比较大的物体而言,库仑力会远远大于作用于这些物体的重力。图为薄膜面吸引带电粒子并附着的原理。

    作用于带电粒子的吸引力
    作用于带电粒子的吸引力

    绝缘体的薄膜面带电时,将表面的电荷密度设为σ[C/m2],电场E=σ/2ε0[V/m],将带电异物、灰尘的电荷量设为Q[C],则接近的异物、灰尘,会被F=Qσ/2ε0[N]的力,吸引到带电面。

    公式

【例】

摩擦绝缘体的片材表面时,单位面积的电荷量约为10-5[C/m2],代入公式,得出此时带电体表面的电场强度约为F=5.65×105[V/m]。
假设此时,直径1 μm左右、表面电荷10-5[C/m2]
的带电异物、灰尘靠近。该异物、灰尘所带的电荷量为3.14×10-17[C],因此异物、灰尘的力约为F=5.65×105×3.14×10-17=1.8×10-11[N]。假设该异物、灰尘的比重为2至3左右,则其受到的吸引力约为重力的1200至1700倍。
异物等之所以会附着在薄膜表面时不容易去除,正是因为受到了这种巨大吸引力的作用。

之前在Q1中也已经说过,异物之所以会附着到金属体(导体)上,是由于带电异物、灰尘靠近金属体(导体),导致金属体(导体)内部发生静电诱导所造成的。
静电诱导是无法通过接地来避免的现象,因此金属体(导体)侧的静电对策基本无效。
这样看来,针对附着异物、灰尘的静电对策就显得尤为重要,但在实际情况下,难以对漂浮在大气中的异物、灰尘进行精准的静电消除,因此通常都会采取对环境(空间整体)进行静电消除(营造始终能够消除静电的环境)的对策方法。

空间整体静电消除示例
空间整体静电消除示例

异物、灰尘附着在绝缘体上的原因,是因为双方都带电,只要让库仑力不再作用,就能发挥效果。
从具体方法来看,比起消除异物、灰尘的静电,对对象物侧进行静电消除,效果更好。

理由

比起单个异物、灰尘所带的电荷量,绝缘对象物所带的电荷量要大得多,库仑力自然也更大,因此消除对象物侧的静电,能够起到更好的效果。

此外,比起漂浮在大气中的异物、灰尘,对象物侧的静电消除通常会更加方便,这也是我们认为消除对象物侧静电能够起到效果的原因之一。

静电诱导,是一种由金属体(导体)这类能够让电荷流动的物质引发的现象,如图所示,带电物质接近时,金属体(导体)内部的电子会发生移动,呈现金属体(导体)表面部分带有与带电物质相反极性电荷的状态。

静电诱导的原理

■ 带+电物靠近时……
带+电物靠近时……

电子会聚集在金属体带电物侧,导致金属体带电物侧呈现带ー电的表象。

■ 带-电物靠近时……
带-电物靠近时……

电子会远离金属体带电物侧,导致金属体带电物侧呈现带+电的表象。

对气压枪供应压缩空气,吹走附着的异物,这是一种非常常规的对策。虽然的确能够起到一定的效果,但由于并未消除作为附着原因的“静电”,被吹掉的异物可能会再次附着。

这种时候,还可以组合使用气压枪和静电消除器,促进效果的发挥。(在用气压枪吹散的同时进行静电消除,是一种在吹飞异物的同时消除静电,防止异物再次附着。)

■ 使用案例(1)
使用案例(1):在气压枪附件上安装静电消除器,可以同时进行空气吹扫和静电消除。通过填充强力空气,还能一并吹掉灰尘。

在气压枪附件上安装静电消除器,可以同时进行空气吹扫和静电消除。通过填充强力空气,还能一并吹掉灰尘。

■ 使用案例(2)
使用案例(2):通过对静电消除器灌入空气,吹掉容器内的异物。通过由除电棒整体灌入空气,实施大范围的除电除尘。

通过对静电消除器灌入空气,吹掉容器内的异物。通过由除电棒整体灌入空气,实施大范围的除电除尘。

组合使用压缩空气和静电消除器,

  1. 通过静电消除,能够更方便地吹掉异物、灰尘
  2. 被吹掉的异物、灰尘再次附着的原因——静电,也会被同时清除,有效防止再次附着等

这些都是该方法的优点。
并非所有异物、灰尘都会有同样的结果,以下数据可供参考。

使用静电消除器时的效果示例

方法在空气吹淋装置上安装静电消除器。依靠静电消除器除去了灰尘的静电,使其远离人体。不配备静电消除器时,灰尘仍旧会粘在人身上并被带入洁净空间,导致清洁度降低。

使用静电消除器时的效果示例

确认静电消除器效果的方法为了计算除去的灰尘的量,我们用粘着胶带粘取了空气吹淋装置内的头发,测量了附着量。我们统一了粘着胶带的大小、粘贴位置、更换频率(1天2次),进行了一个月的测量,获得了上图所示的结果。(测量期间照常进出)

静电消除器ON/OFF时
空气吹淋除尘效果的差异
(典型例:通过10 mm以上头发的附着量进行测量)

确认静电消除器效果的方法

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