Cariche elettrostatiche

Cosa sono e come si formano le cariche elettrostatiche?

L’accumulo di cariche elettrostatiche si verifica quando materiali isolanti – che in condizioni normali sono elettricamente neutri – vengono sollecitati e si polarizzano, provocando uno scambio di elettroni attraverso la superficie.

In condizioni normali, infatti, gli atomi sono elettricamente privi di carica, perché hanno lo stesso numero di protoni (positivi) e di elettroni (negativi). Sottraendo elettroni, l’atomo resta con protoni in eccedenza e quindi acquista una carica positiva, mentre gli elettroni che vengono sottratti si uniscono ad un atomo ricevente, che avrà eccedenza di elettroni e quindi carica negativa.

Le cariche elettrostatiche si generano quando forze esterne – frizioni, compressioni, separazioni, induzione e la presenza di alcune condizioni ambientali, come le variazioni di temperatura – sottraggono elettroni da un atomo, rompendo l’equilibrio di cariche positive e negative che esiste in condizioni normali. Anche l’umidità è strettamente correlata alle cariche elettrostatiche: in un ambiente con umidità relativa superiore al 60%, è meno probabile che si abbia un accumulo di carica elettrostatica. Quindi nelle zone geografiche poco umide e durante l’inverno, la probabilità di generare cariche elettrostatiche è maggiore, perché l’aria è più secca.

Definizione di carica elettrica

L’elettrostatica, in fisica, è definita come una branca dell’elettromagnetismo che studia le cariche elettriche. Come riportato sull’enciclopedia Treccani, la carica elettrica è una caratteristica dei corpi elettrizzati, cioè in possesso di una carica elettrica, distribuita in punti particolari di essi. In particolare, la condizione di attrazione di due corpi fa supporre che ci siano due tipi di cariche: quella vetrosa e quella resinosa, oggi conosciute come positiva e negativa.

“Due corpi elettrizzati si respingono oppure si attirano a seconda che posseggano cariche della stessa specie oppure di specie diversa” è con la legge di Coulomb che si ricava “l’entità di tali azioni, nel caso che i corpi abbiano dimensioni piccole rispetto alla mutua distanza (cariche puntiformi).”

Cariche negative, cariche positive e forza di Coulomb

Le cariche elettrostatiche sono di due tipi – cariche positive e cariche negative – e per via della loro presenza, tra due corpi elettricamente carichi si esercita una forza – la forza di Coulomb o forza elettrostatica – che è attrattiva se i due corpi hanno cariche di segno opposto e repulsiva nel caso contrario. Quindi, secondo la legge di Coulomb:

• quando il prodotto di due cariche con lo stesso segno è positivo e la forza che si esercita tra loro ha a sua volta segno positivo, la forza è repulsiva e quindi i due corpi si respingono tra loro;

• quando il prodotto tra cariche con segni opposti è negativo e la forza che si esercita tra loro ha segno negativo, la forza è attrattiva e i due corpi si attraggono.

Materiali conduttivi e isolanti

Alcuni materiali hanno maggiore inclinazione ad accumulare cariche rispetto ad altri. Sono, per esempio, la plastica, la carta, il vetro e i tessuti sintetici. Tra questi, alcuni sono più portati a rilasciare elettroni e quindi a caricarsi positivamente, altri ad accumulare elettroni e quindi a caricarsi negativamente.

Al contrario delle cariche elettrostatiche, infatti, che si comportano tutte nello stesso modo, i materiali presentano alcune differenze importanti a seconda delle categorie a cui appartengono, perché possono essere:

• Materiali conduttivi
  Sono i materiali in cui gli elettroni sono liberi di muoversi. Appartengono a questa categoria i metalli: rame, ferro, argento, piombo, zinco.

• Materiali isolanti
  Sono plastica, legno, vetro e carta, cioè materiali in cui gli elettroni non si muovono liberamente e quindi impediscono il passaggio della corrente. Possono mantenere la carica statica per molto tempo e quest’ultima non può essere scaricata a terra, perché il materiale ha proprietà non conduttive. Dunque l’energia elettrostatica resta nel materiale. 

È a causa di questo fenomeno di elettrizzazione e delle diverse proprietà dei materiali che nei processi produttivi i materiali neutri lavorati ad alte velocità tendono a muoversi e a separarsi: la frizione tra due materiali – il materiale da lavorare con altri materiali o con parti della macchina – può portare al trasferimento di elettroni da un materiale all’altro, conferendo una carica negativa ad uno e positiva all’altro. Si genera quindi una carica elettrostatica che li fa allontanare o aderire. 

Soluzioni per eliminare le cariche elettrostatiche

Per neutralizzare le cariche elettrostatiche è necessario ripristinare l’originale neutralità di carica. Il procedimento è diverso a seconda del materiale: se i materiali sono conduttori basta scaricare a terra l’energia, se i materiali sono isolanti bisogna ricorrere alla ionizzazione.   

I materiali utilizzati nei processi produttivi sono per lo più materiali.

Quindi per neutralizzare le cariche elettrostatiche è necessario ionizzare l’aria circostante il corpo caricato, scomponendo gli atomi dell’aria in ioni positivi e ioni negativi, utilizzando dei sistemi semi attivi e collegati alla corrente: barre elettrostatiche, soffianti, ugelli, barre circolari o veli ionizzati. Questi strumenti trasportano l’alta tensione verso un gruppo di emettitori, creando una corona di energia ad alta intensità, che genera una grande quantità di ioni positivi e negativi. Quando una superficie di qualunque polarità – caricata staticamente – attraversa questa nube di ioni, viene immediatamente neutralizzata.

Cariche elettrostatiche: i fenomeni elettrostatici nell’industria

La presenza di cariche elettriche può causare vari fenomeni elettrostatici:

• potere delle punte: fenomeno verificabile nei conduttori carichi elettricamente, porta alla formazione di un campo elettrico più intenso in prossimità delle zone in cui la superficie del conduttore presenta un raggio di curvatura minore;
• elettrizzazione: i conduttori metallici possono elettrizzarsi per strofinio, per induzione e per contatto;
• polarizzazione degli isolanti: scambio di elettroni e protoni tra due atomi.

Nelle industrie dell’automazione, il fenomeno elettrostatico che si può osservare più frequentemente è la polarizzazione degli isolanti.

L’accumulo di cariche elettrostatiche è un fenomeno tipico nei processi di lavorazione di plastica, carta e film plastico, materiali neutri che si polarizzano quando vengono lavorati ad alte velocità, perché entrano in attrito con i componenti della macchina automatica o con altri materiali utilizzati nella lavorazione.

La formazione di cariche elettrostatiche è comune a molti settori – converting, packaging, lavorazione dei tessuti, lavorazione di materie plastiche, stampa, settore farmaceutico e alimentare – ed è la causa principale di diversi problemi tipici di alcuni processi produttivi.

I problemi causati dall’accumulo di cariche elettrostatiche nei processi produttivi.

L’accumulo di cariche elettrostatiche causa diversi problemi alle aziende che impiegano macchine automatiche nel loro processo produttivo. Problemi che non sempre vengono riconosciuti e che spesso sono sottovalutati.

Rallentamento o interruzione dei processi di produzione: i materiali di lavorazione e gli sfridi si muovono, aderiscono fra loro o a parti della macchina, obbligando il responsabile a fermare l’impianto e a ridurre la velocità e quindi a rallentare la produzione.

Peggioramento della qualità, aumento dei difetti e degli scarti di produzione: durante la lavorazione il materiale si deteriora, il prodotto che esce dal processo produttivo è di scarsa qualità, una percentuale crescente di prodotti non supera i controlli e viene scartata. I clienti si lamentano sempre più spesso per i difetti dei prodotti che ricevono e di conseguenza gli ordini crollano.

Attrazione di polvere, sfridi e impurità: il materiale caricato elettricamente attrae sfridi, insetti, polveri e impurità, che aderiscono al prodotto e vi restano incollati anche nelle fasi successive del processo produttivo. 

Scariche agli operatori: durante il processo di lavorazione, i materiali e l’aria circostante la macchina si caricano di energia elettrostatica. Se la carica elettrostatica non viene scaricata a terra, quando l’operatore si avvicina al macchinario o al prodotto finito, prende la scossa, col rischio di avere una reazione improvvisa e provocare pericolosi incidenti. Per esempio, a causa della scarica può cadere, ferirsi o ferire altre persone involontariamente. 

Incendi ed esplosioni: se le cariche elettrostatiche si accumulano in un’area in cui sono presenti solventi o altre sostanze infiammabili, possono generarsi delle scintille e di conseguenza anche incendi ed esplosioni.

Allo stesso tempo, però, l’energia statica in alcune lavorazioni è indispensabile. Per esempio si usa per fare aderire materiali diversi e per ottimizzare alcune attività del processo produttivo.

Usare la statica nei processi: quando le cariche elettrostatiche sono indispensabili

L’elettricità statica non è solo fonte di problemi. In alcuni casi è indispensabile.

Senza, infatti, sarebbe impossibile realizzare alcune lavorazioni.

Generando cariche elettrostatiche i materiali aderiscono temporaneamente sui nastri trasportatori senza scivolare e senza muoversi, è possibile tenere insieme una pila ordinata di brochure o delle lastre di laminato per evitare che si muovano durante il trasporto. O ancora è possibile mantenere incollata una parte del film plastico sulla bobina durante la fase di avvolgimento, per evitare che si pieghi su se stesso.

È per questo motivo che esistono sia soluzioni per neutralizzare le cariche elettrostatiche, che soluzioni per generare le cariche.

I settori in cui l’accumulo di cariche elettrostatiche è più frequente

Le cariche elettrostatiche causano problemi in diversi settori:

Converting
Le cariche elettrostatiche attraggono polveri e altre impurità sul film, impediscono una corretta tensione del film in fase di riavvolgimento e sono responsabili delle scosse elettriche frequenti agli operatori.
Leggi di più sui problemi del settore converting

Packaging
A causa delle cariche elettrostatiche, si verifica un aumento degli scarti di produzione: la confezione attrae e impurità, che contaminano il prodotto. Spesso quest’ultimo fuoriesce, posizionandosi sui bordi del contenitore e impedendone la chiusura.
Leggi di più sui problemi del settore packaging

Plastica
Durante le fasi di stampa e riempimento degli stampi, il film plastico rimane attaccato alla macchina, a causa della forza generata dalle cariche elettrostatiche. In altri casi il materiale si muove durante la lavorazione e il movimento impedisce un perfetto allineamento all’interno dello stampo.
Leggi di più sui problemi nella lavorazione della plastica

Tessile
Gli operatori che si avvicinano alle bobine cariche di energia statica prendono la scossa. Leggi di più sui problemi del settore tessile
Leggi di più sui problemi nella lavorazione dei materiali tessili

Stampa
Le cariche elettrostatiche causano movimenti millimetrici che peggiorano la qualità delle stampe, provocando, per esempio, sbavature o disallineamenti. Inoltre, a causa delle cariche, i particolati che gravitano intorno alla macchina si incollano al materiale lavorato.
Leggi di più sui problemi del settore delle macchine da stampa

Biomedicale e farmaceutico
Gli operatori che lavorano in camera bianca prendono spesso la scossa. Inoltre, i prodotti, a causa della forza di adesione generata dalle cariche, attraggono impurità che contaminano i blister.
Leggi di più sui problemi del settore biomedicale e farmaceutico

Le domande più frequenti sulle cariche elettrostatiche