Электрический шок в душе
Автор:
Swenson D.
Автор
перевода:
Лымарь В. В.
Источник: http://www.esdjournal.com/static/shower/shower.html
Автор:
Swenson D.
Автор
перевода:
Лымарь В. В.
Источник: http://www.esdjournal.com/static/shower/shower.html
Шампунь может произвести массивный статический удар, это обычно случается в момент, когда бутылка открывается влажными руками в душе. Исследование обнаружило, что заполненная бутылка шампуня ведет себя подобно самозаряжающейся "Лейденской банке". Данная статья описывает физику и решения серьезной проблемы касающейся потребителя.
В далеком 1978 , опытная косметическо-фармацевтическая компания столкнулась с проблемой связанной с выпуском на потребительский рынок нового шампуня. трудности были обнаружены в ходе ограниченных испытаний на отдельных рынках северо- центральных и юго-западных регионах Соединенных Штатов. Новые шампунь и кондиционер имели художественно оформленные бутылочки со специальной графикой снаружи.
Национальная компания была начата и отличающиеся бутылочки стали узнаваемыми. Все большее число отзывов поступало от пользователей, в которых говорилось о том, что при открытии бутылочки с шампунем они получали статический удар, просто стоя под душем. Удары были достаточно серьезными, их силы хватало, чтобы выбить бутылочку с шампунем из рук. К счастью, ни о каких инцидентах с падениями людей не сообщалось.
Назначенный инженер–проектировщик просил оказать помощь в определении причины возникновения данной проблемы и порекомендовать способы ее решения, если таковые имеются. Запасы, превышающие 100 000 бутылок, представляли собой крупные инвестиции. Компания была заинтересована в попытке сохранить партию, если это вообще возможно.
Несколько бутылок «подозреваемого» шампуня были предоставлены заводом-изготовителем для исследования. При первом открытии бутылки отмечалось наличие разряда на расстоянии примерно 1,5 дюйма от шампуня к металлизированной защитной пленке на крышке. Несмотря на то, что на основе отчетов производителя ожидалась разрядка, это все равно было неожиданностью. Осторожное закрытие крышки, а затем еще одно извлечение шампуня из бутылки не привело к разрядке. После встряхивания бутылки и повторного снятия крышки наблюдался еще один разряд примерно такой же интенсивности.
Если разряженные бутылки оставляли стоять на несколько минут, разряды могли происходить снова. Казалось, бутылки с шампунем могли бесконечно обеспечивать разряд, хотя интенсивность действительно снижалась в течение нескольких дней даже с повторными зарядами.
Первоначальное исследование было сосредоточено на составах шампуня и упаковки. Было обнаружено, что шампунь был чрезвычайно проводящим с сопротивлением менее 0,01 Ом–см. На этикетку бутылочки была нанесена металлизированная краска для придания ей отличительных особенностей. Непосредственно перед нанесением металлических чернил полипропиленовые бутылки получали массивную коронную обработку (для изменения энергии поверхности пластика позволяют адгезию металлических чернил). Таким образом, бутылки имели большой заряд, прикрепленный к внешней поверхности полимерной бутылки под металлическим покрытием. Первоначально считалось, что была сформирована "рекламная кампания", которая вызвала проблемы, но в процессе подготовки настоящего документа технический обозреватель сообщил, что избирательная кампания не является виновником.
Электрет — это поглощенный заряд, который появляется в пластмассах и других изоляционных материалах во время процесса формования. Электрет обычно образует двухполярный заряд, который не излучает большого количества электрического поля, так как есть положительные и отрицательные виды в очень непосредственной близости друг от друга. При нормальных расстояниях измерения, как и при обычном измерении поля, материал показывает "нейтральность". В случае бутылок шампуня, обработка коронным разрядом приложила очень интенсивный отрицательный заряд к бутылкам и большой отрицательный заряд был захвачен на внешней поверхностью бутылки.
Внешний вид бутылок не показал никакого электростатического напряжения, кроме как возле горлышка бутылки, где отсутствовали металлические чернила. Зонд напряжения, вставленный в внутреннюю часть бутылок, показал очень высокие значения — превышающие пределы прибора (>10кВ). Ионизированный воздух из атомного встроенного ионизирующего сопла не оказал никакого влияния на постоянный заряд на внутренней части бутылки. Когда шампунь помещался в бутылку наполненную сначала ионизированным воздухом, после заполнения бутылки искровые разряды наблюдались в течение нескольких минут, а затем надевали колпачок. Время выполнения этих действий имело значение для дальнейших исследований.
После прочтения нескольких основательно старых документов и книг, было решено, что бутылка шампуня действует как "Лейденская банка", которая была одним из ранних устройств для хранения электричества.
Лейденские банки при правильной конструкции могут хранить электрическую энергию в течение длительных периодов времени. Лейденская банка состоит из изоляционного контейнера с токопроводящим (металлическим) материалом, применяемым снаружи. "Банка" заполнена токопроводящей жидкостью (например, водой), или покрывается металлической пленкой. Металлический слой на внешней стороне прикреплен к земле. Когда заряженный источник прикасается к металлическому стержню, часть заряда переносится на слой жидкости или металла, если металлический стержень находится в контакте. В зависимости от размера контейнера (емкости) "баночка Лейдена" при сближении ее с другим проводящим объектом, должен произойти искровый разряд. Большая и правильно построенная "Лейденскую банку" может держать несколько кулонов электрического заряда, в результате чего возникают очень большие разряды. "Лейденская банка" была первой формой конденсатора задолго до того, как был разработан настоящий конденсатор.
Исследуемая бутылка шампуня, заполненная очень проводящим шампунем, имела некоторые из основных компонентов типичной "Лейденской банки", за исключением металлического стержня, простирающегося внутрь. Первоначально предполагалось, что передача заряда шампуню может происходить двумя способами: индукцией и прямым потоком заряда из пластиковой бутылки в шампунь. В то время, только индукционная теория, казалось, не подходит, так как внешний вид бутылки (металлическое покрытие) часто изолировали от земли. Для работы в качестве "Лейденская банка" внешний металлический слой банки должен быть соединен с землей, чтобы зарядить внутреннюю жидкость. Кроме того, из–за того, что не было внешнего контакта с жидкостью, индукция имела большое значение.
Прямой перенос заряда от пластиковой бутылки к шампуню не казался вполне вероятным, так как фактический заряд находился на внешней поверхности изолирующей бутылки, под металлическим покрытием, и в основном застрял на внешней поверхности полимера. Поскольку две первоначальные теории, казалось, не вполне соответствуют наблюдаемому явлению (хотя оба механизма присутствовали), необходимо было провести дальнейшее исследование.
На момент исследования производитель был больше заинтересован в решении непосредственных проблем, чем в научном объяснении произошедшего. Экспериментально было обнаружено, что заряд на бутылках может быть снят постоянно путем замачивания бутылок в заземленном металлическом контейнере, заполненном соленой водой (1% NaCI). После 24 часов в соленой воде, бутылки могут быть промыты, высушены и заполнены шампунем и проблема разрядки исключена. Хотя данное решение было громоздким, это был единственный метод, который надежно устранял проблему. Большой бак был установлен на заводе, и заполнен соленой водой. Примерно 10 000 бутылок за раз можно было замочить в баке, но каждая бутылка должна была быть погружена, чтобы обеспечить полное заполнение. Для этого требовалась бригада из десяти человек и около 3 недель времени, чтобы завершить процесс. Было бы дешевле выбросить бутылки, но это было неприемлемо для производителя.
В результате наблюдения было установлено, что заряд был достаточно подвижным, чтобы вытекать из бутылок в соленую воду и рассеиваться на землю, и по крайней мере часть теории о миграции заряда имела смысл. Бутылка, содержащая шампунь, была чем–то вроде конденсатора, с металлическими чернилами снаружи, образующими одну пластину, и шампунем внутри который по сути являлся второй пластиной. Однако, разница в конструкции конденсатора заключается в заряде на наружной поверхности диэлектрической среды, разделяющей пластины. Поскольку бутылка содержала относительно постоянные и большие моно–полярных заряды, это могло привести к индукции к шампуню внутри бутылки. Когда бутылка находилась в покое, индукция позволила бы слою шампуня возле стенки бутылки накапливать избыточный положительный заряд, чтобы сбалансировать отрицательный заряд на стенке бутылки. Шампунь возле горлышка (не под металлическим покрытием) будет иметь равный и компенсирующий отрицательный заряд. Когда человек берет в руки бутылку, образуетмя емкостная связь с металлическим слоем и усиливается разделение зарядов между слоями конденсатора. При снятии крышки возникает большая разница внутренноего и внешнего потенциалов и требуется выравнивание, при этом искровый разряд, как правило, с крышки на палец замыкает цепь с разрядным зазором около 1,5 дюйма или более.
В действительности, обе рассмотренные теории, участвуют в этом необычном примере. В игру вступают принципы индукции, а также миграции зарядов. Из–за уникальной структуры заполненной бутылки шампуня, она считалась одним из видов конденсатора с автономным питанием. Механизм зарядки первоначально располагался в заряде снаружи полимерной бутылки под металлической этикеткой. Индукция заряда шампуня позволила зарядить разделение внутри шампуня. Кроме того, с течением времени произошло некоторое прямое перемещение зарядов, что свидетельствует о том, что источник питания (заряженная внешняя поверхность) медленно саморазряжался через стенку бутылки.
Производитель изменил дизайн этикеток бутылок, чтобы избежать обработки коронным зарядом. Был нанесен металлический лейбл, который имел ту же графику, поэтому не было необходимости начинать новую кампанию по распознаванию логотипа или бренда. Весь имеющийся запас печатных бутылок использовался после замачивания в соленой воде, поэтому уменьшилась потребность в заземленном наполнении бутылок на складе, так как они не могли быть переработаны из-за металлических чернил.
В данной статье показано, что при проектировании изделия легко совершить большую ошибку, если не учитывать электростатические и электрические принципы. Инженер по упаковке и графический дизайнер понятия не имел, что отличительный дизайн, выбранный для специального шампуня, может привести к такой серьезной проблеме для их компании. Стоит отметить, что продукт все еще продается сегодня, но в бутылке, которая не дает вам "шока в душе".