آلية توليد الكهرباء الساكنة

عادة، يتم توليد الكهرباء الساكنة بسبب الاحتكاك أو الحث.

تتولد الكهرباء الساكنة الاحتكاكية من حركة الشحنات الكهربائية المتولدة أثناء التلامس أو الاحتكاك أو الانفصال بين جسمين. عادة ما تكون الكهرباء الساكنة الناتجة عن الاحتكاك بين الموصلات ضعيفة نسبيًا، وذلك بسبب الموصلية القوية للموصلات. ستتحرك الأيونات الناتجة عن الاحتكاك معًا بسرعة وتتحيد أثناء عملية الاحتكاك وفي نهايتها. بعد احتكاك العازل، قد يتولد جهد كهروستاتيكي أعلى، لكن كمية الشحنة تكون صغيرة جدًا. يتم تحديد ذلك من خلال البنية المادية للعازل نفسه. في التركيب الجزيئي للعازل، من الصعب على الإلكترونات أن تتحرك بحرية متحررة من ارتباط النواة الذرية، لذلك يؤدي الاحتكاك إلى كمية صغيرة فقط من التأين الجزيئي أو الذري.

الكهرباء الساكنة الحثية عبارة عن مجال كهربائي يتكون من حركة الإلكترونات في جسم ما تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي عندما يكون الجسم في مجال كهربائي. بشكل عام، لا يمكن توليد الكهرباء الساكنة الحثية إلا من خلال الموصلات. يمكن تجاهل تأثير المجالات الكهرومغناطيسية المكانية على العوازل.

آلية التفريغ الكهروستاتيكي

ما هو السبب في أن التيار الكهربائي 220 فولت يمكن أن يقتل الناس، لكن آلاف الفولتات الموجودة على الناس لا تستطيع قتلهم؟ يتوافق الجهد عبر المكثف مع الصيغة التالية: U=Q/C. وفقا لهذه الصيغة، عندما تكون السعة صغيرة وكمية الشحن صغيرة، سيتم توليد جهد عالي. "عادةً ما تكون سعة أجسامنا والأشياء من حولنا صغيرة جدًا. عندما يتم توليد شحنة كهربائية، فإن كمية صغيرة من الشحنة الكهربائية يمكن أن تولد أيضًا جهدًا عاليًا. بسبب كمية الشحنة الكهربائية الصغيرة، عند التفريغ، يكون التيار المتولد صغيرًا جدًا، والوقت قصير جدًا. لا يمكن الحفاظ على الجهد، وينخفض ​​التيار في وقت قصير للغاية. "نظرًا لأن جسم الإنسان ليس عازلًا، فإن الشحنات الساكنة المتراكمة في جميع أنحاء الجسم، عندما يكون هناك مسار للتفريغ، سوف تتقارب. لذلك، يبدو أن التيار أعلى وهناك شعور بالصدمة الكهربائية. بعد توليد الكهرباء الساكنة في الموصلات مثل الأجسام البشرية والأشياء المعدنية، سيكون تيار التفريغ كبيرًا نسبيًا.

بالنسبة للمواد ذات خصائص العزل الجيدة، أحدهما هو أن كمية الشحنة الكهربائية المتولدة صغيرة جدًا، والآخر هو أن الشحنة الكهربائية المتولدة يصعب تدفقها. على الرغم من أن الجهد مرتفع، إلا أنه عندما يكون هناك مسار تفريغ في مكان ما، فإن الشحنة عند نقطة الاتصال وضمن نطاق صغير قريب فقط هي التي يمكنها التدفق والتفريغ، في حين أن الشحنة عند نقطة عدم الاتصال لا يمكنها التفريغ. لذلك، حتى مع وجود جهد يبلغ عشرات الآلاف من الفولتات، فإن طاقة التفريغ تكون أيضًا ضئيلة.

مخاطر الكهرباء الساكنة على المكونات الإلكترونية

الكهرباء الساكنة يمكن أن تكون ضارةقادs، ليس فقط "براءة الاختراع" الفريدة لـ LED، ولكن أيضًا الثنائيات والترانزستورات شائعة الاستخدام المصنوعة من مواد السيليكون. حتى المباني والأشجار والحيوانات يمكن أن تتضرر بسبب الكهرباء الساكنة (البرق هو شكل من أشكال الكهرباء الساكنة، ولن نأخذه في الاعتبار هنا).

إذًا، كيف تلحق الكهرباء الساكنة الضرر بالمكونات الإلكترونية؟ لا أريد أن أذهب بعيدًا، فقط أتحدث عن أجهزة أشباه الموصلات، ولكن يقتصر أيضًا على الثنائيات والترانزستورات والدوائر المتكاملة ومصابيح LED.

الضرر الذي تسببه الكهرباء لمكونات أشباه الموصلات يشمل في النهاية التيار. تحت تأثير التيار الكهربائي، يتلف الجهاز بسبب الحرارة. إذا كان هناك تيار، فيجب أن يكون هناك جهد. ومع ذلك، تحتوي الثنائيات شبه الموصلة على وصلات PN، والتي لها نطاق جهد يمنع التيار في الاتجاهين الأمامي والخلفي. حاجز الجهد الأمامي منخفض، في حين أن حاجز الجهد العكسي أعلى بكثير. في الدائرة التي تكون فيها المقاومة عالية، يتركز الجهد. ولكن بالنسبة لمصابيح LED، عندما يتم تطبيق الجهد للأمام على LED، عندما يكون الجهد الخارجي أقل من جهد عتبة الصمام الثنائي (المتوافق مع عرض فجوة نطاق المادة)، لا يوجد تيار للأمام، ويتم تطبيق الجهد بالكامل على تقاطع PN. عندما يتم تطبيق الجهد على LED في الاتجاه المعاكس، عندما يكون الجهد الخارجي أقل من جهد الانهيار العكسي لـ LED، يتم تطبيق الجهد أيضًا على تقاطع PN بالكامل. في هذا الوقت، لا يوجد انخفاض في الجهد في وصلة اللحام الخاطئة لمصباح LED، أو الدعامة، أو المنطقة P، أو المنطقة N! لأنه لا يوجد تيار. بعد تعطل الوصلة PN، يتم تقاسم الجهد الخارجي بين جميع المقاومات الموجودة في الدائرة. عندما تكون المقاومة عالية، يكون الجهد الذي يتحمله الجزء مرتفعًا. وفيما يتعلق بمصابيح LED، فمن الطبيعي أن يتحمل وصلة PN معظم الجهد. الطاقة الحرارية المولدة عند تقاطع PN هي انخفاض الجهد عبرها مضروبًا في القيمة الحالية. إذا لم تكن القيمة الحالية محدودة، فإن الحرارة الزائدة ستحرق تقاطع PN، مما سيفقد وظيفته ويخترق.

لماذا تخاف الدوائر المتكاملة نسبيًا من الكهرباء الساكنة؟ نظرًا لأن مساحة كل مكون في الدائرة المتكاملة صغيرة جدًا، فإن السعة الطفيلية لكل مكون تكون أيضًا صغيرة جدًا (غالبًا ما تتطلب وظيفة الدائرة سعة طفيلية صغيرة جدًا). لذلك، فإن كمية صغيرة من الشحنة الكهروستاتيكية ستولد جهدًا كهروستاتيكيًا عاليًا، وعادة ما يكون تحمل الطاقة لكل مكون صغيرًا جدًا، لذلك يمكن أن يؤدي التفريغ الكهروستاتيكي إلى إتلاف الدائرة المتكاملة بسهولة. ومع ذلك، فإن المكونات المنفصلة العادية، مثل ثنائيات الطاقة الصغيرة العادية وترانزستورات الطاقة الصغيرة، ليست خائفة جدًا من الكهرباء الساكنة، لأن مساحة رقاقتها كبيرة نسبيًا وسعتها الطفيلية كبيرة نسبيًا، وليس من السهل تجميع الفولتية العالية على لهم في الإعدادات الثابتة العامة. ترانزستورات MOS منخفضة الطاقة عرضة للتلف الكهروستاتيكي بسبب طبقة أكسيد البوابة الرقيقة والسعة الطفيلية الصغيرة. عادةً ما يغادرون المصنع بعد حدوث ماس كهربائي في الأقطاب الكهربائية الثلاثة بعد التعبئة. أثناء الاستخدام، غالبًا ما يكون مطلوبًا إزالة المسار القصير بعد اكتمال اللحام. نظرًا لمساحة الرقاقة الكبيرة لترانزستورات MOS عالية الطاقة، فإن الكهرباء الساكنة العادية لن تلحق الضرر بها. لذلك سترى أن الأقطاب الكهربائية الثلاثة لترانزستورات الطاقة MOS ليست محمية بدوائر قصيرة (لا يزال المصنعون الأوائل يقومون بتقصير الدائرة قبل مغادرة المصنع).

يحتوي مصباح LED في الواقع على صمام ثنائي، ومساحته كبيرة جدًا بالنسبة لكل مكون داخل الدائرة المتكاملة. لذلك، فإن السعة الطفيلية لمصابيح LED كبيرة نسبيًا. ولذلك، فإن الكهرباء الساكنة في المواقف العامة لا يمكن أن تلحق الضرر بمصابيح LED.

الكهرباء الساكنة في الحالات العامة، خاصة في العوازل، يمكن أن يكون لها جهد عالي، لكن كمية شحنة التفريغ تكون صغيرة للغاية، ومدة تيار التفريغ قصيرة جدًا. قد لا يكون جهد الشحنة الكهروستاتيكية المستحثة على الموصل مرتفعًا جدًا، لكن تيار التفريغ قد يكون كبيرًا وغالبًا ما يكون مستمرًا. وهذا ضار جدًا بالمكونات الإلكترونية.

لماذا تتلف الكهرباء الساكنة؟رقائق الصماملا تحدث في كثير من الأحيان

لنبدأ بظاهرة تجريبية. صفيحة حديدية تحمل كهرباء ساكنة بقوة 500 فولت. ضع مؤشر LED على اللوحة المعدنية (انتبه إلى طريقة وضعه لتجنب المشكلات التالية). هل تعتقد أن الصمام سوف يتضرر؟ هنا، من أجل إتلاف مصباح LED، يجب عادةً تطبيقه بجهد أكبر من جهد الانهيار، مما يعني أن كلا قطبي LED يجب أن يتصلا في نفس الوقت باللوحة المعدنية ويكون لهما جهد أكبر من جهد الانهيار. نظرًا لأن اللوحة الحديدية موصلة جيدة، فإن الجهد المستحث عبرها متساوٍ، وما يسمى بالجهد 500 فولت يتعلق بالأرض. لذلك، لا يوجد جهد بين قطبي LED، وبطبيعة الحال لن يكون هناك أي ضرر. ما لم تقم بتوصيل أحد قطبي LED بلوحة حديدية، وتوصيل القطب الآخر بموصل (يد أو سلك بدون قفازات عازلة) بالأرض أو بالموصلات الأخرى.

تذكرنا الظاهرة التجريبية المذكورة أعلاه أنه عندما يكون مصباح LED في مجال إلكتروستاتيكي، يجب أن يتصل أحد القطبين بالجسم الكهروستاتيكي، ويجب أن يتصل القطب الآخر بالأرض أو الموصلات الأخرى قبل أن يتلف. في الإنتاج والتطبيق الفعلي، مع صغر حجم مصابيح LED، نادرًا ما تكون هناك فرصة لحدوث مثل هذه الأشياء، خاصة على دفعات. الأحداث العرضية ممكنة. على سبيل المثال، يوجد مصباح LED على جسم إلكتروستاتيكي، ويتصل أحد القطبين بالجسم الكهروستاتيكي، بينما يتم تعليق القطب الآخر للتو. في هذا الوقت، يلمس شخص ما القطب الكهربائي المعلق، مما قد يؤدي إلى تلف الجهازضوء LED.

تخبرنا الظاهرة المذكورة أعلاه أنه لا يمكن تجاهل مشاكل الكهرباء الساكنة. يتطلب التفريغ الكهروستاتيكي دائرة موصلة، ولا يوجد أي ضرر في حالة وجود كهرباء ساكنة. عند حدوث كمية صغيرة جدًا من التسرب، يمكن النظر في مشكلة التلف الكهروستاتيكي العرضي. إذا حدث ذلك بكميات كبيرة، فمن المرجح أن يكون هناك مشكلة تلوث الرقائق أو الإجهاد.