ไฟฟ้าสถิต (ESD) คืออะไร


Posted 11 Jan 2017 18:16 | 19,103 views

ไฟฟ้าสถิต(ESD: Electrostatic Discharge) คือความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าภายในหรือบนพื้นผิวของวัสดุหนึ่ง ประจุยังคงอยู่กับที่จนกระทั่งมันสามารถจะเคลื่อนที่โดยอาศัยการไหลของอิเล็กตรอน (กระแสไฟฟ้า) หรือมีการปลดปล่อยประจุ (electrical discharge) ไฟฟ้าสถิตมีชื่อที่ขัดกับไฟฟ้ากระแสที่ไหลผ่านเส้นลวดหรือตัวนำอื่นและนำส่งพลังงาน

ประจุไฟฟ้าสถิต(ESD) สามารถสร้างขึ้นได้เมื่อไรก็ตามที่สองพื้นผิวสัมผัสกันและแยกจากกัน และอย่างน้อยหนึ่งในพื้นผิวนั้นมีความต้านทานสูงต่อกระแสไฟฟ้า (และดังนั้นมันจึงเป็นฉนวนไฟฟ้า) ผลกระทบทั้งหลายจากไฟฟ้าสถิตจะคุ้นเคยกับคนส่วนใหญ่เพราะผู้คนสามารถรู้สึกได้ยินและแม้แต่ได้เห็นประกายไฟเมื่อประจุส่วนเกินจะถูกทำให้เป็นกลางเมื่อถูกนำเข้ามาใกล้กับตัวนำไฟฟ้าขนาดใหญ่ (เช่นเส้นทางที่ไปลงดิน) หรือภูมิภาคที่มีประจุส่วนเกินที่มีขั้วตรงข้าม (บวกหรือลบ) ปรากฏการณ์ที่คุ้นเคยของช็อกจากไฟฟ้าสถิต หรือที่เจาะจงมากขึ้นคือการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต (electrostatic discharge) จะเกิดจากการเป็นกลางของประจุ

สาเหตุของการเกิดไฟฟ้าสถิต (Cause of Electrostatic Discharge)

                วัสดุทั้งหลายจะทำจากหลายอะตอมที่ปกติแล้วจะเป็นกลางทางไฟฟ้าเพราะพวกมันมีจำนวนของประจุบวก (โปรตอนในนิวเคลียส) และจำนวนของประจุลบ (อิเล็กตรอนใน "วงรอบนิวเคลียส") เท่ากัน ปรากฏการณ์ของไฟฟ้าสถิตจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีการแยกประจุบวกและลบออกจากกัน เมื่อวัตถุสองชนิดสัมผัสกัน อิเล็กตรอนอาจย้ายจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ทำให้วัตถุหนึ่งมีประจุบวกเกิน และอีกวัตถุหนึ่งมีประจุลบเกินในจำนวนที่เท่ากัน เมื่อแยกวัตถุทั้งสองออกจากกัน จึงเกิดการไม่สมดุลของประจุขึ้นในวัตถุแต่ละตัว วัตถุที่มีประจุลบเกิน ก็ถือว่าเกิดไฟฟ้าสถิตประจุลบ วัตถุที่ประจุบวกเกิน ก็เรียกว่าเกิดไฟฟ้าสถิตประจุบวก

               อิเล็กตรอนสามารถแลกเปลี่ยนกันระหว่างวัสดุโดยการสัมผัส วัสดุที่มีอิเล็กตรอนผูกพันอย่างอ่อนมีแนวโน้มที่จะสูญเสียพวกมันในขณะที่วัสดุที่มีวงรอบนอกมีที่ว่างมีแนวโน้มที่จะได้รับพวกมัน ธรรมชาตินี้เรียกว่าผลกระทบไทรโบอิเล็กตริก และเป็นผลให้วัสดุหนึ่งกลายเป็นมีประจุบวกและอีกวัสดุหนึ่งมีประจุลบ ขั้วและความแข็งแรงของประจุบนวัสดุทั้งสองทันทีที่พวกมันถูกแยกออกจากกันจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่สัมพันธ์กันระหว่างพวกมันในไฟฟ้าสถิต#ชุดของไทรโบอิเล็กตริก ผลกระทบไทรโบอิเล็กตริกเป็นสาเหตุหลักของการผลิตไฟฟ้าสถิตที่สังเกตได้ในชีวิตประจำวัน และในการสาธิตตามโรงเรียนมัธยมทางวิทยาศาสตร์ทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับการถูวัสดุที่แตกต่างเข้าด้วยกัน (เช่นขนสัตว์กับแกนอาคริลิค) การแยกประจุที่เหนี่ยวนำโดยการสัมผัสเป็นสาเหตุที่ทำให้เส้นผมของคุณตั้งขึ้นและทำให้เกิดการ "เกาะติดจากไฟฟ้าสถิต" (ตัวอย่างเช่นบอลลูนเมื่อขัดถูกับผมจะกลายเป็นมีประจุลบ เมื่ออยู่ใกล้กับกำแพงบอลลูนที่มีประจุจะดูดกับอนุภาคประจุบวกในผนังและสามารถ "เกาะติด" กับมัน ปรากฏให้เห็นว่ามันถูกแขวนต้านแรงโน้มถ่วงของโลก)

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากความดัน

ความเครียดเชิงกลที่จ่ายให้จะทำให้เกิดการแยกประจุในบางประเภทของผลึกและโมเลกุลเซรามิค

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากความร้อน

ความร้อนจะทำให้เกิดการแยกประจุในอะตอมหรือโมเลกุลของวัสดุบางอย่าง วัสดุไพโรอิเล็กตริกทั้งหมดยังเป็นไพโซอิเล็กตริกอีกด้วย คุณสมบัติของอะตอมหรือโมเลกุลของการตอบสนองต่อความร้อนและความดันจะสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากประจุ

วัตถุที่มีประจุเมื่อถูกนำมาใกล้กับวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะทำให้เกิดการแยกประจุภายในวัตถุที่เป็นกลาง ประจุขั้วเดียวกันจะผลักกันและประจุขั้วตรงข้ามกันจะดูดกัน เมื่อแรงอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของประจุไฟฟ้าตกลงไปอย่างรวดเร็วตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้น ประจุ (ขั้วตรงข้าม) ที่อยู่ใกล้มากกว่าจะส่งผลกระทบมากกว่าและวัตถุทั้งสองจะรู้สึกถึงแรงดึงดูด ผลจะเด่นชัดมากที่สุดเมื่อวัตถุที่เป็นกลางเป็นตัวนำไฟฟ้าเมื่อประจุมีอิสระมากขึ้นที่จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ การลงดินอย่างระมัดระวังของบางส่วนของวัตถุที่มีการแยกประจุที่เกิดขึ้นจากประจุสามารถเพิ่มหรือลดอิเล็กตรอนอย่างถาวร ปล่อยให้วัตถุเหลือแต่เพียงประจุถาวร กระบวนการนี้​​เป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอแกรฟฟ์ อุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปในการสาธิตผลกระทบของไฟฟ้านิ่ง

การกำจัดและการป้องกันไฟฟ้าสถิต (Anti static Electrostatic Discharge)

                การกำจัดหรือการป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตอาจทำได้ง่ายๆแค่เปิดหน้าต่างหรือใช้เครื่องทำความชื้น (อังกฤษ: humidifier) เพื่อเพิ่มความชิ้นของอากาศ ทำให้อากาศเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น เครื่องสร้างไอออนจากอากาศ (อังกฤษ: air ionizer) ก็สามารถทำงานได้เหมือนกัน

อุปกรณ์ที่ไวเฉพาะต่อการปลดปล่อยประจุไฟฟ้า(โดยรวดเร็ว)อาจจะได้รับแก้ไขด้วยการใช้ตัวแทนต้านไฟฟ้าสถิตซึ่งจะเพิ่มชั้นพื้นผิวการนำไฟฟ้าเพื่อให้ประจุส่วนเกินมีการกระจายออกไปทั่วผิวหน้า น้ำยาปรับผ้านุ่มและแผ่นเป่าแห้งที่ใช้ในเครื่องซักผ้าและเครื่องอบผ้าเป็นตัวอย่างหนึ่งของตัวแทนต้านไฟฟ้าสถิตที่ใช้ในการป้องกันและกำจัดการยึดติดของประจุ

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำนวนมากที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความไวเฉพาะต่อการปลดปล่อยประจุไฟฟ้า ถุงต้านไฟฟ้าสถิตมักใช้ห่ออุปกรณ์เพื่อปกป้องอุปกรณ์ดังกล่าว คนที่ทำงานกับวงจรที่มีอุปกรณ์เหล่านี้มักจะลงดินตัวเขาเองด้วยสายรัดข้อมือต้านไฟฟ้าสถิต

ในโรงงานอุตสาหกรรมเช่นโรงงานสีหรือแป้งหรือในโรงพยาบาลรองเท้าปลอดภัยต้านไฟฟ้าสถิตบางครั้งถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าเนื่องจากมันจะสัมผัสกับพื้น รองเท้าเหล่านี้มีพื้นรองเท้าที่มีการนำไฟฟ้าที่ดี รองเท้าต้านไฟฟ้าสถิตไม่ควรจะสับสนกับรองเท้าฉนวนซึ่งจะให้ผลตรงกันข้าม เพราะรองเท้าฉนวนใช้ป้องกันไฟฟ้าช็อกอย่างรุนแรงจากไฟฟ้าสายเมน

การปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Discharge)

          ประกายไฟที่เกิดจากไฟฟ้าสถิต(ESD) จะเกิดจากการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต(Electrostatic Discharge) เมื่อประจุส่วนเกินจะถูกเป็นกลางโดยการไหลของประจุจากหรือไปยังสภาพแวดล้อม ความรู้สึกของไฟฟ้าช็อตจะเกิดจากการกระตุ้นของเส้นประสาทเมื่อกระแสเป็นกลางไหลผ่านร่างกายมนุษย์ พลังงานที่เก็บไว้ในรูปไฟฟ้าสถิตบนวัตถุหนึ่งจะแปรผันขึ้นอยู่กับขนาดของวัตถุและค่าคาปาซิแตนซ์ของมันแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ใส่ประจุให้มัน และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางโดยรอบ สำหรับการสร้างแบบจำลองของ ผลกระทบของการปล่อยปล่อยไฟฟ้าสถิตบนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไว มนุษย์จะถูกแสดงเป็นตัวเก็บประจุขนาด 100 pf ถูกใส่ประจุจากแรงดันไฟฟ้า 4000 ถึง 35000 โวลต์ เมื่อสัมผัสกับวัตถุ พลังงานนี้จะถูกปลดปล่อยในเวลาน้อยกว่าหนึ่งส่วนล้านวินาที[7] ในขณะที่พลังงานทั้งหมดมีขนาดเล็ก ด้วยค่าสิบยกกำลังของมิลลิจุล มันก็ยังสามารถสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไว วัตถุขนาดที่ใหญ่กว่าจะเก็บพลังงานได้มากกว่า ซึ่งอาจเป็นอันตรายโดยตรงจากการสัมผัสของมนุษย์ หรืออาจจะให้ประกายไฟที่สามารถจุดชนวนก๊าซหรือฝุ่นละอองไวไฟ

ฟ้าผ่า

                ฟ้าผ่าเป็นตัวอย่างที่เกิดตามธรรมชาติที่ดราม่าอย่างหนึ่งของการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต ในขณะที่รายละเอียดยังไม่ชัดเจนและยังคงเป็นเรื่องหนึ่งของการอภิปราย มีการคิดกันว่าการแยกประจุในช่วงเริ่มต้นถูกน่าจะเชื่อมโยงกับการสัมผัสกันระหว่างอนุภาคน้ำแข็งด้วยกันภายในเมฆพายุ โดยทั่วไปการสะสมประจุอย่างมีนัยสำคัญจะสามารถคงอยู่ในภูมิภาคของการนำไฟฟ้าที่ต่ำเท่านั้น (มีประจุอิสระน้อยมากที่เคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ) ด้วยเหตุนี้การไหลของประจุที่เป็นกลางมักจะเป็นผลมาจากอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางในอากาศที่ถูกฉีกออกเพื่อแยกประจุบวกและประจุลบออกจากกัน ซึ่งจะเดินทางไปในทิศทางตรงข้ามเหมือนเป็นกระแสไฟฟ้าหนึ่งซึ่งจะทำให้การสะสมเดิมของประจุเป็นกลาง ประจุไฟฟ้าสถิตในอากาศโดยทั่วไปจะแตกตัวในลักษณะนี้ที่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 10,000 โวลต์ต่อเซนติเมตร (10 กิโลโวลต์/ซม.) ขึ้นอยู่กับความชื้น การปลดปล่อยประจุจะสร้างความร้อนยิ่งยวดให้กับอากาศโดยรอบทำให้เกิดเป็นแสงวาบ (หรือที่เรียกว่าฟ้าแลบ) และผลิตคลื่นช็อกเป็นเสียงฟ้าร้อง สายฟ้าผ่าเป็นเพียงเวอร์ชั่นรุ่นที่ถูกปรับให้มีขนาดสูงขึ้นจากประกายไฟที่เห็นได้ในเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในท้องถิ่นส่วนใหญ่ของการปล่อยปล่อยไฟฟ้าสถิต แสงวาบเกิดขึ้นเนื่องจากอากาศในช่องทางการปลดปล่อยประจุถูกทำให้มีความร้อนที่อุณหภูมิสูงซะจนมันเปล่งแสงจากความร้อน

อุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดและป้องกันไฟฟ้าสถิตจาก Desco

1. Surface Resistance Meter Kit : ใช้วัดไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิวทั่วไป ถ้าเราอยากรู้ว่าพื้นผิวตรงนั้นมีไฟฟ้าหรือไม่สามารถนำเครื่องนี้ไปวัดค่าได้ >>> http://www.mostori.com/product_group_sub.php?gs=1

2. IONIZATION TEST KIT : ใช้วัดว่าวัสดุชิ้นนั้นมีไฟฟ้าเกิดมากหรือน้อยเพียงใด และสามารถใช้วัดค่า Ionizer หรือเครื่องทำลายประจุไฟฟ้า >>> http://www.mostori.com/product_group_sub.php?gs=1

3. SmartLog Pro, with Proximity and Barcode Readers : ใช้วัดความพร้อมของอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าสถิต เช่น เสื้อ รองเท้า และสายรัดข้อมือ ว่ามีความพร้อมก่อนเข้าปฎิบัติงานหรือไม่ >>> http://www.mostori.com/product_group_sub.php?gs=24

4. IONIZER, BENCHTOP, HIGH OUTPUT : ใช้ทำลายประจุบวกหรือลบให้ใกล้เคียง 0 ที่สุด >>> http://www.mostori.com/product_group_sub.php?gs=2