同じ服、同じ床、同じプラスチックでも、静電気の強さはいつも同じではありません。乾燥した日に強く感じても、湿度が高い日は弱くなったり、ゆっくり離したときと素早く離したときで帯電量が変わったりします。
では、なぜ静電気の帯電量は湿度や摩擦条件で変化するのでしょうか。結論から言えば、静電気は接触・分離で生じる電荷移動と、その後に電荷が表面から逃げる速さの両方で決まり、湿度、接触面積、摩擦圧力、分離速度、接地、表面状態などがその二つを変えるからです。
静電気の変化は「発生」と「消散」を分けて考える
静電気が強くなったり弱くなったりする理由を理解するには、二つの過程を分けると整理しやすくなります。
一つは、物体が接触して離れるときに電荷が移動する「発生」の過程です。もう一つは、生じた電荷が材料内部や表面、空気、接地経路などを通って逃げる「消散」の過程です。
帯電量が大きくなるのは、電荷移動が多い場合だけではありません。発生量が同じでも、電荷が逃げにくければ時間とともに蓄積し、静電気は大きくなります。
逆に、接触・分離で電荷が生じても、すぐに大地へ逃げれば大きな帯電として残りません。
接触して離すだけでも静電気は生じる
静電気は「こすると生まれる」と説明されることが多いですが、摩擦そのものが必須ではありません。
EOS/ESD Associationは、静電荷の代表的な発生機構として、二つの材料の接触と分離を挙げています。接触中に表面間で電荷が移動し、その後に離れることで正負の帯電が残ります。
J-STAGEの「帯電現象と材料表面」でも、異なる物体が接触して分離すると、一方が正、もう一方が負に帯電する接触帯電が説明されています。
つまり摩擦は静電気を無から作るのではなく、接触と分離の仕方を変える要因の一つです。
摩擦回数が増えると帯電量が増えることがある
物体を何度もこすると、まだ十分に接触していなかった表面部分まで接触する機会が増えます。
J-STAGEの表面帯電に関する解説では、摩擦を繰り返すことで実際に擦られた面積が増え、帯電量が増加していく考え方が示されています。
ただし、摩擦回数を増やせば無限に帯電量が増えるわけではありません。
電荷の漏れや放電も同時に起こるため、発生と消散がつり合うと帯電量は頭打ちになります。
摩擦圧力によっても静電気は変わる
表面は肉眼では平らに見えても、微視的には細かな凹凸があります。
軽く触れただけでは実際に接触している面積は限られますが、圧力を強くすると凹凸同士がより広く接触し、実効接触面積が増える場合があります。
繊維製品を使ったJ-STAGEの実験では、繊維の種類、湿度、摩擦圧力、摩擦速度が静電気発生量へ影響する要因として検討されています。
同じ二つの材料でも、押し付け方が変われば帯電量が同じとは限らないのです。
分離速度が速いと帯電量が変わることがある
EOS/ESD Associationは、接触帯電で生じる電荷量が接触面積だけでなく、分離速度にも影響されると説明しています。
物体をゆっくり離す場合と素早く離す場合では、分離の途中で電荷が戻る時間や、表面間で放電が起きる条件が変わります。
そのため、同じ材料を同じように接触させても、引き離す速さによって最終的に残る電荷量が変化することがあります。
高速でフィルムや紙、繊維を搬送する装置で静電気が問題になりやすいのは、接触と高速分離が繰り返されることも一因です。
湿度が高いと帯電量が小さくなりやすい
乾燥した冬に静電気が目立ちやすい最大の理由の一つが湿度です。
多くの材料では、空気中の水分が表面へ吸着すると表面を通る電荷移動が起こりやすくなります。
すると接触・分離で生じた電荷が周囲や大地へ逃げやすくなり、表面へ蓄積しにくくなります。
EOS/ESD Associationは、高い相対湿度では帯電電圧が低下する例を示し、湿度が電荷蓄積を減らす重要な条件であると説明しています。
繊維製品の実験でも、湿度は静電気発生量へ有意な影響を与える要因として報告されています。
高湿度でも静電気の発生自体はなくならない
湿度を上げれば静電気が完全に発生しなくなるわけではありません。
EOS/ESD Associationは、高い相対湿度でも接触・分離による静電荷生成は起こると注意しています。
湿度が強く変えるのは、発生後の電荷がどれだけ速く表面から逃げるかという消散過程です。
また、材料によって水分を吸着しやすさや表面抵抗の湿度依存が違うため、湿度の効果も一様ではありません。
温度より湿度の影響が目立つ場合がある
静電気は冬に目立つため、「寒いほど帯電する」と思われることがあります。
しかし、低温そのものより、冬に空気が乾燥して表面から電荷が逃げにくくなることが大きく効く場合があります。
繊維製品を用いたJ-STAGEの実験では、静電気発生量について繊維の種類、湿度、摩擦圧力、摩擦速度には有意な影響が見られた一方、その実験条件では温度要因には有意性が認められませんでした。
もちろん材料や環境が変われば温度の影響もあり得ますが、「寒さ」と「乾燥」を分けて考えることが重要です。
材料の表面状態が変わると帯電量も変わる
接触帯電は材料の内部だけでなく、最表面の状態に強く左右されます。
表面に油分、ほこり、水分、洗剤成分、帯電防止剤などが付着すると、電荷移動や電荷の逃げやすさが変化します。
そのため、同じ種類のプラスチックでも、新品、洗浄後、長期間使用後では帯電量が異なることがあります。
J-STAGEの表面帯電に関する解説でも、帯電現象では材料表面の状態が重要であることが扱われています。
同じ材料でも時間がたつと帯電量は減ることがある
絶縁体に生じた電荷は長く残ることがありますが、永久にそのままとは限りません。
わずかな表面伝導や体積伝導、空気中のイオンとの中和などによって、時間とともに電荷は徐々に減少します。
OpenStaxは、絶縁体では余分な電荷が自由に動きにくいため長く残る一方、十分な時間があれば消散すると説明しています。
そのため、同じ操作の直後に測る場合と、数分後に測る場合では帯電量や電圧が違うことがあります。
導体では接地の有無で変化が大きい
金属のような導体では、余分な電荷が物体内部を移動しやすくなっています。
OpenStaxでは、導体を接地すると大地との間で電子が移動できることが説明されています。
そのため、導体が絶縁された台の上にあり大地から切り離されていれば帯電を保持できますが、接地すると余分な電荷は大地へ流れやすくなります。
同じ金属でも「接地されているか、絶縁されているか」で静電気の残り方が大きく変わります。
人体の静電気も履物や床条件で変わる
人が歩くと、靴底と床が接触・分離を繰り返します。
そのときの帯電量は靴底と床材の組み合わせだけでなく、歩く速さ、湿度、床の表面状態、人体から大地までの電気抵抗などで変わります。
絶縁性の高い靴と床では電荷が逃げにくくなりますが、静電気拡散性の床や履物を使えば、電荷を急激な放電ではなく徐々に逃がしやすくできます。
電子機器を扱う環境で履物や床を管理するのは、この帯電条件を制御するためです。
同じ帯電量でも電圧は同じとは限らない
静電気では、電荷量Q、静電容量C、電圧Vの間に、
Q＝CV
の関係があります。
EOS/ESD Associationも静電荷量と静電容量、電位の関係をこの式で説明しています。
同じ電荷量Qでも、物体の静電容量Cが小さければ電圧Vは高くなります。
したがって「静電気が強くなった」と感じたとき、それが必ず電荷量だけの増加とは限りません。物体の大きさ、形、周囲の金属との距離などが変わると静電容量も変わり、電圧が変化します。
物体を離すと電圧が上がることがある
接触して帯電した二つの物体を離すと、電荷量がほぼ同じでも、互いの位置関係が変わって静電容量が小さくなることがあります。
Qがほぼ一定でCが小さくなれば、V＝Q/Cにより電圧は大きくなります。
このため、接触中には大きな電位差がなくても、分離していく途中で高い静電電圧が生じる場合があります。
静電気の変化を見るときは、帯電量だけでなく静電容量の変化も考える必要があります。
電圧が高くなると放電によって帯電量が減ることがある
帯電が進んで局所的な電場が十分に強くなると、空気が絶縁状態を保てなくなり、火花放電やコロナ放電が起こることがあります。
放電が起きると電荷の一部が急速に移動するため、帯電量と電圧は低下します。
つまり静電気は発生し続ければ無制限に増えるわけではなく、漏れや放電による減少も同時に起きています。
定常的な帯電量は「発生する速さ」と「逃げる速さ」のバランスで決まると考えられます。
表面の形や尖りでも放電条件は変わる
同じ電圧でも、尖った部分では電場が集中しやすくなります。
そのため、形状が変わると放電の始まりやすさも変わります。
尖った金属部分から電荷が空気へ逃げやすくなることがあり、帯電の保持時間や最大電圧へ影響します。
静電気の強さを比較するときは、電荷量だけでなく物体の形状も条件の一つです。
静電気を減らすには条件をどう変えればよいか
静電気対策は、発生を減らす方法と、発生した電荷を逃がす方法に分けられます。
発生を減らすには、材料の組み合わせを変える、不要な摩擦を減らす、接触・分離速度を見直すといった方法があります。
電荷を逃がすには、湿度管理、接地、静電気拡散性材料、帯電防止剤、イオナイザーなどが使われます。
絶縁体では接地線をつなぐだけでは局所的な電荷が動けないことがあるため、空気中のイオンで中和する方法が必要になる場合があります。
条件変化を調べるときは一つずつ変える
静電気は多くの条件に左右されるため、原因を調べるときは一度に多くの条件を変えないことが重要です。
たとえば湿度の影響を調べたいなら、材料、接触面積、摩擦回数、分離速度、測定時間をできるだけ一定にします。
摩擦速度を調べたいなら、湿度や圧力をそろえます。
こうして一つずつ条件を変えることで、「どの条件が帯電量を変えたのか」を区別できます。
まとめ
静電気の帯電量が湿度や摩擦条件で変化するのは、接触・分離で電荷が生じる速さと、生じた電荷が表面や接地経路から逃げる速さが、接触面積、摩擦圧力、分離速度、湿度、表面状態、接地などによって変わるからです。
摩擦回数や圧力、分離速度を変えると電荷移動量が変化し、湿度を上げると多くの材料で電荷が消散しやすくなります。ただし高湿度でも静電荷の発生自体がなくなるわけではありません。
また、同じ電荷量でも静電容量が変われば電圧は変化し、電圧が高くなりすぎると放電によって電荷が減ります。
静電気の変化を見るときは、「何が電荷を生んだか」だけでなく、「どの条件で電荷が逃げたか」「帯電量と電圧のどちらを見ているか」を分けて考えると、変化の理由を正確に理解できます。
関連記事
参考資料
- J-STAGE「繊維および繊維製品の静電気に関する二、三の要因とその測定」
- J-STAGE「帯電現象と材料表面」
- EOS/ESD Association, “An Introduction to ESD”
- OpenStax, “Conductors, Insulators, and Charging by Induction”
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