ไฟฟ้าสถิตกับงานวิศวกรรมเคมี (๒) ของเหลวนำไฟฟ้า ของเหลวไม่นำไฟฟ้า MO Memoir : Thursday 18 May 2560

ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า (electrical resisitivity หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า resisitivity หรือใช้สัญญลักษณ์ rho มีหน่วยเป็น Ohm.m) เป็นตัวบอกให้ทราบว่าวัสดุชนิดต่าง ๆ มีความสามารถในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าได้มากน้อยเพียงใด วัสดุที่มีค่านี้สูงก็จะมีความต้านทานการไหลที่สูงไปด้วย (คือเป็นฉนวน)
 

ค่าความต้านทาน (resistance - R) แปรผันตามความยาว (L) แต่แปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัด (A) ของวัสดุ หรือเขียนในรูปความสัมพันธ์แบบสมการคณิตศาสตร์ได้ว่า R = (rho.L)/A ดังนั้นการเปรียบเทียบความสามารถในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าของวัสดุต่าง ๆ ด้วยการใช้ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า จึงเป็นการเปรียบเทียบที่ไม่ขึ้นกับรูปร่างของวัสดุนี้
 

(สมการในย่อหน้าข้างบนตั้งอยู่บนข้อสมมุติว่ากระแสไฟฟ้าไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งพื้นที่หน้าตัดตัวนำ ซึ่งเรื่องนี้เป็นจริงสำหรับไฟฟ้ากระแสตรง (Direct current หรือ DC) แต่ในกรณีของไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current หรือ AC) จะมีเรื่องของ "Skin effect" เข้ามาเกี่ยวข้อง คือความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่บริเวณผิวรอบนอกของตัวนำจะสูงกว่าบริเวณตอนกลาง)

รูปที่ ๙ ต้นฉบับบทความที่เป็นต้นเรื่องของบทความชุดนี้

เรื่องหนึ่งที่เรียนกันในวิชาเคมีคือเรื่องพันธะมีขั้วและโมเลกุลมีขั้วที่ส่งผลต่อคุณสมบัติของของเหลว แต่เนื้อหาตรงนี้ในส่วนการใช้งานก็มักจะกล่าวกันเพียงแค่ผลที่มีต่อจุดเดือดและการละลายเข้าด้วยกันเท่านั้น แต่อันที่จริงมันยังมีอีกเรื่องหนึ่งที่เกี่ยวข้องและสำคัญในแง่ของการออกแบบโรงงานและระเบียบวิธีการทำงาน นั่นคือ "การนำไฟฟ้า" โดยของเหลวที่เป็นโมเลกุลมีขั้ว (หรือมีโมเลกุลมีขั้ว - ที่ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน - ผสมอยู่) นั้นจะนำไฟฟ้าได้ดีกว่า เรื่องนี้ส่งผลต่อการเกิดไฟฟ้าสถิตและการกระจายประจุไฟฟ้าสถิตออกไป ทำให้การทำงานกับของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ดีนั้นมีปัญหาเรื่องไฟฟ้าสถิตน้อยกว่าการทำงานกับของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า เช่นในกรณีของรูปที่ ๑ ๓ ๕ และ ๖ ในตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้

(หมายเหตุ : ลำดับรูปในที่นี้จะใช้หมายเลขต่อจากฉบับที่แล้ว)

รูปที่ ๑๐ ตัวอย่างของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า (พวกที่มีค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าตั้งแต่ 10⁸ โอห์ม.เมตร ขึ้นไป) สารกลุ่มนี้จะเป็นพวกโมเลกุลไม่มีขั้วหรือมีความเป็นขั้วต่ำ ในที่นี้ mesitylene คือ 1,3,5-trimethyl benzene ส่วน white spirit นั้นหมายถึงไฮโดรคาร์บอน (aliphatic หรือ alicyclic ช่วง C7 - C12) ที่ใช้เป็นตัวทำละลายในการละลายหรือกระบวนการสกัดด้วยตัวทำละลาย (solvent extraction)

ตารางในรูปที่ ๑๐ นั้นนำมาจากเอกสารที่แสดงไว้ในรูปที่ ๙ ในบทความนี้ของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้าคือของเหลวที่มีค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าตั้งแต่ 10⁸ โอห์ม.เมตร ขึ้นไป (ตัวเลขมีการปัดเศษให้เป็นเลขยกกำลังกลม ๆ) ตรงนี้ต้องย้ำนิดนึงกว่าการ นำไฟฟ้า - ไม่นำไฟฟ้า ในที่นี้หมายถึง "ไฟฟ้าสถิต" นะ ไม่ใช่ไฟฟ้ากำลังที่ใช้กันตามบ้านเรือนและโรงงานทั่วไป จากตัวอย่างที่เขายกมานั้นจะเห็นว่าพวกที่ติดอันดับต้น ๆ จะเป็นพวกโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ในขณะที่พวกที่ติดอันดับล่าง ๆ จะเป็นพวกโมเลกุลที่มีขั้วไม่แรง 
  

ส่วนตารางในรูปที่ ๑๑ นั้นเป็นตัวอย่างของเหลวนำไฟฟ้า คือพวกที่มีค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำกว่า 10⁸ โอห์ม.เมตร ลงมา สารกลุ่มนี้จะเป็นพวกโมเลกุลที่มีความเป็นขั้วสูง

รูปที่ ๑๑ ตัวอย่างของเหลวที่นำไฟฟ้า (ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำกว่า 10⁸ โอห์ม.เมตร ลงมา) สารกลุ่มนี้จะเป็นพวกโมเลกุลที่ความเป็นขั้วสูง

การลดค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าให้กับของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้าทำได้ด้วยการผสมของเหลวที่มีค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำเข้าไป แต่ทั้งนี้ของเหลวที่ผสมเข้าไปนั้นจะต้อง "ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน" (เช่นการผสมแอลกอฮอล์ในปริมาณที่เหมาะสมเข้าไปในน้ำมัน) ไม่เช่นนั้นจะเกิดปัญหารุนแรงขึ้นกว่าเดิม เช่นในกรณีของหยดน้ำในน้ำมัน 
  

ของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้าก็ทำให้การเกิดไฟฟ้าสถิตเพิ่มมากขึ้นกว่าเดิมได้ ของแข็งนี้อาจเป็นของแข็งที่ไหลปะปนมากับของเหลวแต่ต้น หรือเป็นของแข็งที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต เช่นระหว่างการตกผลึก (crystallisation) ในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว (ถ้าตัวทำละลายเป็นสารไวไฟด้วยก็ควรทำการตกผลึกภายใต้บรรยากาศแก๊สไนโตรเจน)

สุดท้าย ที่ว่างท้ายหน้า ขอเอาข้อความที่มีคนกล่าวถึงบน facebook มาบันทึกไว้เป็นที่ระลึกซะหน่อย :) :) :)