Les effets de l'électricité statique sur le pesage analytique
Introduction
L'électricité statique est un phénomène physique courant dans de nombreux domaines de notre vie quotidienne. Elle peut avoir une importance considérable dans l'industrie et dans toutes sortes de laboratoires de recherche et de développement. Par exemple, la charge électrostatique des matériaux dans les processus industriels et pendant les séquences de production ou l'analyse des matériaux peut avoir des effets négatifs (par exemple, le dosage de poudres avec une spatule ou des têtes de dosage risque d'étaler la substance de sorte qu'elle ne puisse pas être introduite dans le récipient sans se répandre). Les décharges électrostatiques peuvent endommager les équipements et les composants électroniques, tandis que les décharges d'étincelles peuvent facilement enflammer les substances inflammables à proximité immédiate, ce qui peut entraîner des accidents graves. C'est pourquoi des millions de dollars sont dépensés dans le monde entier pour tenter d'éliminer les charges électrostatiques et leurs effets négatifs.
Bases de l'électricité statique
L'électricité statique résulte de la friction entre deux objets (corps). Ce processus de frottement transfère des électrons d'objets ayant une fonction de travail inférieure (le "donneur") vers des objets ayant une fonction de travail supérieure (l'"accepteur"), ce qui entraîne la production d'ions (figures 1a et 1b). Un corps ayant un excès d'électrons prend une charge négative, tandis qu'un corps manquant d'électrons prend une charge positive. Toutefois, il ne s'agit que d'un changement temporaire de la charge, car tous les électrons excédentaires s'échappent du corps dès qu'il présente une certaine conductivité ou qu'il est mis à la terre.
La friction peut se produire dans l'échantillon lui-même ou entre l'échantillon et le conteneur ou le récipient de tare. Par exemple, lors de la convection dans une étuve, le frottement de l'air crée une charge sur les récipients en verre. En outre, le frottement interne des poudres et des liquides lorsqu'ils sont transférés d'un récipient à l'autre crée une charge sur les particules contenues dans l'échantillon. Dans la pratique, il est impossible d'éviter les frottements lors du traitement ou du transport des substances. Par conséquent, la charge électrostatique se produit presque tout le temps. Des forces électrostatiques perturbatrices peuvent également se produire dans la zone entourant la balance, en raison du transfert direct de porteurs de charge par les personnes se déplaçant autour d'elle.
Parmi les différentes options permettant d'éliminer l'électricité statique lors des pesées analytiques, il existe des mesures simples et peu coûteuses. Cependant, en raison des limitations métrologiques et pratiques actuelles, nombre de ces mesures sont difficiles et longues à mettre en œuvre et ne sont pas universellement applicables. D'autre part, certaines méthodes sont à la fois puissantes et peu encombrantes, en particulier lorsqu'elles sont intégrées directement dans la balance.
Incidence directe sur le pesage
Tous les fabricants de balances sont appelés à répondre par des solutions technologiques appropriées aux problèmes de pesage des substances présentant des charges électrostatiques. L'électricité statique peut avoir un effet négatif sur le processus de pesage lui-même ou sur les résultats, ce qui nécessite des procédures de sélection ou de manipulation des matériaux qui prennent du temps pour remédier à ces effets. Dans certains cas, le pesage d'un matériau peut être quasiment impossible en raison de l'accumulation de charges électrostatiques lors de la manipulation. En outre, les propriétés électrostatiques de certains matériaux peuvent varier en fonction de l'augmentation ou de la diminution de l'humidité ambiante, ce qui complique encore les tentatives de pesage. Souvent, les phénomènes électrostatiques s'aggravent lorsque l'humidité relative tombe en dessous de 45%, ce qui est souvent le cas en hiver sous les latitudes européennes ou dans les pièces climatisées. Par conséquent, les utilisateurs de balances connaîtront des conditions différentes d'une saison à l'autre ou d'un jour à l'autre, ce qui rendra difficile la reproduction de leurs résultats. La charge électrostatique des matériaux peut se produire dans les conditions suivantes :
La charge électrostatique des matériaux peut se produire dans les conditions suivantes :
- Dans les solides où la résistance de surface du matériau (Rs) est >10 GΩ (selon IEC93)
- Dans les liquides dont la conductivité est de <10 nS/m
- Dans des matériaux conducteurs qui ne sont pas mis à la terre
Au cours d'une opération de pesage, l'interaction des charges électriques accumulées sur le matériau à peser et les parties fixes de la balance qui ne sont pas connectées de manière conductrice au plateau de pesée entraîne le développement d'une force électrostatique. Ainsi, un champ électrique se crée entre le matériau à peser et les parties fixes de la balance. Le paravent ou le boîtier et la plaque de base de la balance sont des exemples de pièces fixes de la balance. Les forces électrostatiques qui en résultent peuvent entraîner des variations de charge (valeurs affichées) de l'ordre du gramme. Dans la pratique, un poids absolu erroné n'est pas le seul effet négatif associé à l'électricité statique. Une dérive importante des valeurs affichées et une mauvaise répétabilité des résultats sont également des problèmes sérieux.
Les charges accumulées s'écoulent lentement par le plateau de pesée, de sorte que les forces résultantes ne sont pas constantes dans le temps, ce qui entraîne une dérive et une mauvaise répétabilité. En fonction de la polarité de la charge, l'interaction peut être répulsive ou attractive, ce qui signifie que les résultats de la pesée peuvent varier positivement ou négativement. Une interaction répulsive se produit lorsque la charge de l'échantillon et la charge ambiante ont la même polarité (toutes deux + ou toutes deux -). Le matériau pesé semble plus lourd qu'il ne l'est en réalité (figure 2).
En revanche, une interaction attractive se produit lorsque la charge de l'échantillon et la charge ambiante ont des polarités différentes (une + et une -). Une interaction attractive fera donc paraître le matériau pesé plus léger qu'il ne l'est en réalité (voir figure 3).
Neutralisation des charges électrostatiques
Pour éliminer les effets de l'électricité statique sur le pesage, il faut veiller à ce que l'échantillon et la zone qui l'entoure soient exempts de toute charge. Une méthode qui a donné d'excellents résultats consiste à protéger la chambre de pesée et le plateau de pesée des champs électrostatiques à l'aide d'un revêtement conducteur entièrement transparent sur tous les éléments en verre du paravent de la balance. Tous les paravents en verre de la série Cubis™ II sont dotés de cette caractéristique importante. Une autre solution consiste à utiliser des ionisateurs et des stylos antistatiques à proximité de la balance (figure 4). Cette solution fonctionne sur le principe de la neutralisation de surface par bombardement ionique, ce qui est très efficace dans les situations où l'accumulation de charges doit être éliminée sur les récipients et les échantillons dans l'environnement externe de la balance.
Le pesage en dessous de la balance peut être utilisé pour peser des matériaux volumineux, tels que des blocs de plastique. L'échantillon est fixé à l'aide d'un cintre sous le plateau de pesée afin de profiter de la réduction proportionnelle de la force électrostatique qui se produit avec le carré de la distance entre les porteurs de charge. Bien entendu, cette méthode de réduction de l'influence des charges électrostatiques peut également être utilisée lors de la pesée sur le plateau de pesée ; toute influence des forces électrostatiques sur les résultats de la pesée peut être réduite si la distance entre l'échantillon et le plateau de pesée est nettement inférieure à la distance entre l'échantillon et les parties fixes de la balance, car le plateau de pesée constitue un bouclier efficace. Toutefois, dans le cas contraire, les charges électrostatiques continueront d'affecter le processus de pesage. Il suffit parfois de placer un objet entre l'échantillon et le plateau de pesée pour réduire les forces au point qu'elles n'aient pas d'effet notable sur le résultat de la pesée. Pour certaines applications, il suffit également d'augmenter l'effet de blindage du plateau de pesée. À cette fin, des plateaux spéciaux d'un diamètre supérieur à celui des plateaux standard sont proposés (figure 5).
Des balances spécifiques pour le pesage des filtres, qui utilisent une cage de Faraday (un écran métallique mis à la terre) pour résoudre le problème des charges électrostatiques, sont également disponibles (figure 6). Pendant la pesée, le plateau de pesée et un couvercle conducteur d'électricité fixé au plateau protègent complètement les filtres. De telles balances pour filtres sont souvent utilisées pour déterminer les particules dans les mesures d'émissions dans l'industrie automobile ou les instituts de protection de l'environnement.
Équipement utile pour éviter les influences des charges électrostatiques
En règle générale, le temps nécessaire pour neutraliser les charges électrostatiques dépend du matériau, de la surface et de la forme de l'échantillon, ainsi que de l'humidité relative à proximité de la balance. Les balances Cubis™ II proposent l'ioniseur Q-Stat, qui est intégré au Draft Shield I de la série de balances modulaires (sous la forme de quatre buses positionnées dans la paroi arrière) et qui élimine les charges électrostatiques en l'espace de quelques secondes (figure 7).
Le principe physique fonctionnel de ces buses est la décharge corona, un processus par lequel un courant circule dans l'air à partir d'une électrode à haute tension. L'intensité du champ électrique autour d'une aiguille très fine est si élevée que les molécules d'air sont ionisées et créent une région de plasma autour de l'électrode. Les ions générés transmettent la charge à des zones de potentiel inférieur et, après recombinaison avec des charges libres, ils forment à nouveau des molécules de gaz neutres. L'utilisation de quatre buses dans la balance Cubis™ II rend l'élimination des charges très efficace. L'utilisation de buses à polarité opposée produit une sorte d'effet de focalisation dans la zone du plateau de pesée. La neutralisation des charges électrostatiques provenant des récipients à échantillons et des substances (poudres, par exemple) sans perturbation du flux d'air est ainsi très efficace. De plus, la couche conductrice entièrement transparente sur les paravents en verre de ce modèle offre une protection supplémentaire contre les champs électrostatiques à proximité immédiate de la balance. Cela garantit également des résultats de pesée stables et corrects, indépendamment de la charge électrostatique, et permet de mesurer de très petites quantités de matériau (par exemple sur des filtres), souvent en utilisant des coupelles ou des porte-filtres accessoires (figure 8).
