โดยทั่วไปเราจะสามารถสังเกตเห็นปรากฎการณ์เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์ได้เมื่อเกิดปรากฎการณ์แบบใหญ่ๆ (Macroscopic) เช่นฟ้าแลบ, ฟ้าฝ่า เป็นต้น แต่จริงๆแล้ว ไฟฟ้าสถิตย์นั้นอาจจะเกิดขึ้นได้อยู่ตลอดเวลาในระบบเล็กๆ (Microscopic) ด้วย ตัวอย่างเช่นเสื้อผ้าที่ยับลู่ติดตัว, การเกิดฝุ่นหนาเกาะจับตามหน้าจอของเครื่องรับโทรทัศน์, การเกิดไฟฟ้าดูดเมื่อเราจับโลหะบางประเภทเช่นลูกบิดประตู สัตว์เลี้ยง หรือแม้แต่วัสดุอื่น นอกจากนี้ยังอาจจะเห็นได้จากการที่พลาสติกสำหรับห่อของยังถูกแรงดูดติดอยู่กับวัสดุที่มันห่อหุ้มอยู่
รูปที่ 1 ปรากฏการณ์ถ่ายเทประจุเนื่องจากการเสียดสีหรือ Triboelectric (Tribo หมายถึงการ "ถู")
ไฟฟ้าสถิตย์เกิดได้หลายวิธี วิธีหนึ่งที่ง่ายคือเมื่อมีการสัมผัสแล้วแยกจากกันหรือถูกันระหว่างวัสดุสองชนิด (เรียกว่าเกิดปรากฏการณ์ Triboelectric - ดูรูปที่ 1) ทำให้เกิดการถ่ายเทประจุจากที่วัสดุทั้งสองเป็นกลางทางไฟฟ้า (คือมีประมาณประจุบวกและลบเท่ากัน) ไปเป็นว่าวัสดุทั้งสองนั้น ชิ้นหนึ่งมีประจุบวกมากกว่า และอีกชิ้นหนึ่งมีประจุลบมากกว่า ทั้งนี้ การที่วัสดุใดจะมีประจุชนิดใดมากกว่าภายหลังจากการเสียดสีกันนั้น ขึ้นกับชนิดของวัสดุทั้งสอง
Acrylic
PVC (Vinyl)
เป็น Negative
ประจุที่เกิดขึ้นนี้จะไม่ไปไหน (คือไม่เคลื่อนที่ไปไหน หากไม่มี "ทาง" ให้มันวิ่งไป) ดังนั้นเราจึงเรียกประจุเหล่านี้ว่าเป็นประจุสถิตย์ หรือไฟฟ้าสถิตย์ (Electrostatic - คืออยู่เฉยๆ)
ปริมาณหรือความรุนแรงที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเสียดสีนี้อาจสูงมาก ขึ้นอยู่กับสิ่งต่างๆดังต่อไปนี้
1. ชนิดของวัสดุทั้งสอง (ดูตารางที่ 1)
2. ความรุนแรง, ระยะเวลาในการสัมผัส
3. ความชื้นสัมพัทธ์ (ยิ่งมีค่าต่ำ ยิ่งเกิดการถ่ายเทประจุมาก,สะสมประจุได้ง่าย)
4. ลักษณะพื้นผิวของวัสดุทั้งสอง (เรียบ, ขรุขระ, ฯลฯ)
เมื่อเกิดประจุขึ้นบนวัสดุ (เนื่องจากความไม่สมดุลของอิเล็กตรอนและโฮล) แล้ว จะทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุนั้นด้วย ศักย์ไฟฟ้าจะมีค่าสูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับจำนวนประจุ (Charge - Q) และค่าความจุ (Capacitance - C) ของวัสดุนั้น ตามสมการ
V (Volt) = Q (Coulomb) / C (Farad) สมการที่ 1
จากสมการจะเห็นว่า หากเกิดประจุขึ้นในจำนวนไม่มากนัก แต่วัสดุที่สะสมประจุนั้นมีค่าความจุไฟฟ้าต่ำมาก ก็จะทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าขนาดสูงมากขึ้นได้ ทั้งนี้บางครั้งการเสียดสีอย่างง่ายๆ เช่นการเดินบนพื้นปูพรมในห้องที่อากาศแห้ง (10 - 20%) สามารถสร้างศักย์ไฟฟ้าได้สูงถึง 35,000 โวลท์ จากตารางข้างบนนี้ จะเห็นได้ว่าเพียงการเดินบนพื้นที่ปูพรมในห้องที่แห้ง (คือมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ) ก็สามารถสร้างศักย์ไฟฟ้าขึ้นได้มากกว่า 30,000 โวลท์แล้ว ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว ศักย์ไฟฟ้าขนาดนี้เพียง 1 โวลท์ก็สามารถทำลายชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็น Class 1 ESD Sensitive ได้แล้ว
จากตารางยังเห็นอีกว่า เมื่อความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้น ศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะต่ำลงด้วย ทั้งนี้เนื่องจากเมื่อความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้นจะทำให้พื้นผิวของวัสดุต่างๆสามารถเก็บประจุได้ในเวลาเพียงสั้นๆเพราะเกิดการรวมตัว (Recombination) ระหว่างประจุบวกและลบและเกิดการนำประจุ (Conduction) ง่ายขึ้น ทำให้ประจุลดลง (ในขณะที่ความจุไฟฟ้าของชิ้นวัสดุยังคงเท่าเดิม จึงเกิดศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าเมื่ออากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ
อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถทำให้สภาวะแวดล้อมที่ทำงาน (เช่นห้องที่เราทำงาน) มีความชื้นสัมพัทธ์สูงๆ (เพื่อให้เกิดศักย์ หรือเกิดการสะสมประจุน้อย) ได้ เนื่องจากจะทำให้เกิดการกัดกร่อน, เกิดสนิม, มีโอกาสสูงขึ้นในการเกิดการกลั่นตัวของหยดน้ำ ซึ่งจะทำอันตรายโดยตรงกับอุปกรณ์ เครื่องมือต่างๆ ได้
2. หลักการเบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ
2.1 ประจุไฟฟ้าในสสาร
ส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุแท้ก็คือ อะตอม ในอะตอมประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส และอะตอมในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้า นิวเคลียสเองจะเป็นแสดงอำนาจบวกเนื่องจากภายในนิวเคลียสประกอบด้วยนิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า คือไม่แสดงอำนาจประจุไฟฟ้า) และโปรตอน (แสดงอำนาจบวก) ซึ่งจำนวนของโปรตอนภายในนิวเคลียสจะเท่ากับจำนวนของอิเล็กตรอนที่วิ่งล้อมรอบนิวเคลียสอยู่ ดังนั้นจึงทำให้ประจุไฟฟ้ารวมของทั้งอะตอมเป็นศูนย์
อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีประจุภายในตัวเอง คือ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ (Coulomb) ซึ่งเท่ากับประจุของโปรตอน
เมื่อใดก็ตามที่อะตอมของธาตุมีจำนวนของอิเล็กตรอนเปลี่ยนไปจากสภาวะสมดุลตามธรรมชาติของมัน จะทำให้อะตอมนั้นแสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา ถ้าอะตอมของธาตุเสียอิเล็กตรอนไป อะตอมนั้นจะแสดงประจุไฟฟ้าเป็นบวก ในทางตรงกันข้าม หากอะตอมของธาตุได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มมากเกินกว่าในสภาวะสมดุล อะตอมนั้นจะแสดงประจุลบ
อะตอมของธาตุที่ไม่เป็นกลาง (คือแสดงอำนาจเป็นประจุบวกและลบ) นี้จะมีปฏิกิริยาต่อกัน กล่าวคือ ประจุที่เหมือนกันจะผลักกัน และประจุที่ต่างกันจะดูดกัน ด้วยแรงกระทำต่อกันที่สามารถคำนวณได้ (ดูหัวข้อ 3. ไฟฟ้าสถิตย์และสนามไฟฟ้า) เราสามารถทดลองให้เห็นแรงที่กระทำต่อกันเนื่องมาจากประจุไฟฟ้าสถิตย์ได้ด้วยการใช้ Electroscope ดูรูปที่ 2
รูปที่ 2 เป็นแบบหนึ่งของ Electroscope เมื่อเราเคลื่อนแท่งวัตถุที่มีประจุไม่เป็นกลาง (เช่นประจุบวก) เข้าใกล้ลูกบอลทรงกลม (ซึ่งเป็นกลาง) จะเห็นว่าลูกบอลถูกดูดเข้าหาแท่งวัตถุ จากนั้นสักระยะหนึ่ง ลูกบอลจะถูกผลักออกจากแท่งวัตถุเมื่อลูกบอลมีประจุเดียวกับแท่งวัตถุ
2.2 ความนำไฟฟ้าของวัสดุและคุณสมบัติด้านไฟฟ้าสถิตย์
วัสดุหรือวัตถุที่อยู่ในชีวิตประจำวันสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทใหญ่ๆตามความสามารถในการนำไฟฟ้าคือ ตัวนำและฉนวน
จริงๆแล้วมีการเข้าใจผิดอยู่มากในเรื่องของคุณสมบัติทางไฟฟ้าสถิตย์ของวัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าเช่นโลหะ ว่าไม่สามารถสร้างประจุและเก็บประจุไว้ได้ ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว โลหะก็สามารถสร้างประจุได้ (ย้อนกลับไปดูตารางที่ 1 Triboelectric Series) นอกจากนั้นแล้ว โลหะที่ไม่ได้ถูกต่อลงดินก็สามารถเก็บประจุไว้ได้เช่นเดียวกับวัสดุที่เป็นฉนวน
2.2.1 ตัวนำไฟฟ้า (Conductive)
วัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าจะมีความนำไฟฟ้าจำเพาะ 105 mho/cm. หรือมากกว่า คุณสมบัติที่สำคัญทางด้านไฟฟ้าสถิตย์ของตัวนำไฟฟ้า (เช่นโลหะ) คือประจุสามารถเดินทางได้เร็วบนพื้นผิวของมัน ทำให้ประจุบวกและประจุลบ รวมตัวกันได้ง่ายและรวดเร็ว ซึ่งคุณสมบัตินี้จะทำให้ประจุบนตัวนำที่ไม่ได้ถูกต่อลงดินมีเพียงชนิดเดียว คือบวกหรือลบเพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง เพราะส่วนน้อยที่เหลืออยู่จะถูกรวมหายไป (ดูรูปที่ 3 ก) กระจายอยู่ตลอดผิวของโลหะนั้น (เมื่อไม่มีสนามไฟฟ้าอื่นใดภายนอกมาเกี่ยวข้อง ดูหัวข้อ 2.4) ซึ่งจะทำให้วัตถุตัวนำมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากันตลอดทั้งชิ้นสาร และเมื่อเราต่อโลหะลงกราวด์จะทำให้ประจุทั้งหมดสามารถไหลถ่ายเทลงกราวด์ (ซึ่งมักจะถูกต่อลงพื้นดินจริงอีกทีหนึ่ง) ได้ และทำให้แผ่นโลหะทั้งแผ่นนั้นเป็นกลาง
รูปที่ 3 แสดงประจุที่อยู่บนตัวนำและฉนวน (ก) ประจุไฟฟ้าบนตัวนำจะ Recombine กันจนมีประจุเดียว (ข) ประจุบนฉนวนอาจจะต่างกันได้ในแต่ละตำแหน่ง (ค) เมื่อต่อตัวนำลงดิน ประจุทั้งหมดจะไหลลงดินจนเป็นกลาง (ง) แต่ประจุบนฉนวนจะยังคงอยู่
2.2.2 ฉนวน (Insulator)
ตรงกันข้ามกับตัวนำไฟฟ้า ประจุจะเดินทางได้ยากบนวัสดุที่เป็นฉนวน ทำให้การรวมตัวระหว่างกันเกิดได้ยากและ/หรือเกิดขึ้นอย่างช้าๆ ผลที่เกิดขึ้นจากคุณสมบัตินี้คือ บางตำแหน่งของแท่งวัตถุที่เป็นฉนวนอาจจะเป็นบวกในขณะที่บางตำแหน่งของฉนวนจะมีประจุลบ (ดูรูปที่ 3 ข) นอกจากนี้แล้ว เรายังไม่สามารถถ่ายประจุจากวัตถุประเภทฉนวนลงดินได้ด้วยวิธีการต่อสายดิน (ดูรูปที่ 3 ง) เนื่องจากประจุไฟฟ้าเดินทางได้ยากบนฉนวนนั่นเอง ทั้งนี้ เมื่อต่อสายดินเข้ากับแท่งฉนวนที่ไม่เป็นกลาง ฉนวนนั้นก็ยังคงแสดงอำนาจประจุไฟฟ้าเหมือนเดิมอยู่
2.3 วัสดุในงานเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์
มีวัสดุบางประเภทที่ถึงแม้ว่าเสียดสีกันก็จะเกิดการถ่ายเทประจุน้อยมาก เราเรียกวัสดุเหล่านี้ว่า Low Charging Material หรือ Antistatic วัสดุเหล่านี้สามารถเป็นได้ทั้งตัวนำ (Conductive มีความต้านทานจำเพาะ <>
2.4 การเหนี่ยวนำ
ถ้าเราวางตัวนำไฟฟ้า (Conductor) ไว้ในสนามไฟฟ้า จะเกิดการแยกตัวกันของประจุไฟฟ้าบนตัวนำนั้น ดูรูปที่ 4 ทั้งนี้เนื่องจากคุณสมบัติของประจุบวกที่วิ่งตามทิศทางของสนามไฟฟ้า, และประจุลบที่วิ่งสวนกับทิศทางของสนามไฟฟ้า
รูปที่ 4 การเกิดการเหนี่ยวนำอย่างง่าย จะเห็นว่าเกิดการแยกตัวของประจุเนื่องจากผลของสนามไฟฟ้า
ในรูปที่ 4 สมมติว่าวัตถุทรงรี(2) ในรูปเป็นโลหะที่เป็นกลางทางไฟฟ้าถูกวางอยู่บนแท่นที่เป็นฉนวน (เพื่อไม่ให้เกิดการถ่ายเทประจุลงดินหรือหนีหายไปทางใด) และมีวัตถุรูปสี่เหลี่ยม(1) อีกชิ้นหนึ่งที่มีประจุบวกอยู่นำมาเข้าใกล้กับวัตถุรูปทรงรี ประจุบนวัตถุทรงรีจะแบ่งแยกออกเป็นสองส่วน โดยที่ประจุลบจะเดินทางมาอยู่ด้านใกล้กับวัตถุรูปสี่เหลี่ยม (ด้าน ก.) ในขณะเดียวกันประจุบวกบนวัตถุรูปทรงรีจะเดินทางไปอยู่ในบริเวณตรงกันข้าม (ด้าน ข.) จากสิ่งที่เกิดขึ้นในรูปที่ 4 หากเราต่อด้านขวามือ (ด้าน ข.) ของวัตถุรูปทรงรีลงดิน จะเกิดการถ่ายประจุบวก (ที่อยู่ทางด้านที่ต่อลงดินนั้น) ลงดินหายไป เหลือแต่ประจุลบทางด้านใกล้กับวัตถุทรงสี่เหลี่ยม(1) จะยังคงอยู่บริเวณนั้นไม่ได้หายไปไหนเนื่องจากถูกประจุบวกบนวัตถุรูปสี่เหลี่ยมดึงดูดเอาไว้ หลังจากนั้น เมื่อเราปลดสายดินออก จะเหลือแต่เพียงประจุลบกระจายตัวอยู่ทั่วพื้นผิวของวัตถุทรงรี
2.5 ความจุไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการถ่ายเทประจุ
2.5.1 ความจุไฟฟ้า
ความจุไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็นสองชนิด
1ความจุไฟฟ้าของวัตถุเดี่ยว (Self-capacitance)
วัตถุทุกชนิดสามารถเก็บประจุไฟฟ้าไว้ได้ในตัวเอง ความสามารถนี้ขึ้นอยู่กับชนิดและรูปร่างของวัตถุนั้น และเมื่อวัตถุใดๆมีประจุ (ที่ไม่สมดุล) บนตัวมัน จะเกิดศักย์ไฟฟ้าบนวัตถุนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างประจุ, ศักย์ไฟฟ้า, และศักย์ที่เกิดขึ้นบนวัตถุสามารถหาได้ตามสมการที่ 1 ข้างล่าง
V (Volt) = Q (Coulomb) / C (Farad) สมการที่ 1
ซึ่งสมการนี้มีความสำคัญต่อการทำงานกับ ESD มากดังจะได้กล่าวถึงต่อไป และเมื่อมีประจุบนวัตถุแล้ว ประจุนั้นจะเหมือนพลังงานส่วนเหลือที่เก็บอยู่ สามารถคำนวณได้จากสมการ
E (Joules) = 1/2 [C (Farad) / V (volt) 2] สมการที่ 2
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น