靜電芻議

范士民，劉廣東，李俊，張丙開

（阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，安徽阜陽 236037）

靜電芻議

范士民，劉廣東，李俊，張丙開

（阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，安徽阜陽 236037）

靜電是一種常見的自然現(xiàn)象．一方面靜電現(xiàn)象可造福于人類；另一方面靜電現(xiàn)象也會(huì)在極為廣泛的范圍內(nèi)給人類帶來各種各樣的危害．因此，認(rèn)識(shí)靜電的產(chǎn)生、危害，采取有效的措施消除以及防護(hù)，化弊為利對于人們是非常重要的．

靜電；靜電感應(yīng)；電荷

1 引言

靜電現(xiàn)象是一種常見的帶電現(xiàn)象，在工業(yè)生產(chǎn)中，也較為普遍：一方面人們利用靜電進(jìn)行某些生產(chǎn)活動(dòng)，另一面又要防止靜電給生產(chǎn)帶來危害，靜電電量不大，但電壓卻很高，易產(chǎn)生火花放電，從而引起火災(zāi)、爆炸或電擊．為了防止靜電危害，必須做好靜電安全工作，開展安全教育和培訓(xùn)，掌握靜電防護(hù)措施[1]．

2 靜電的產(chǎn)生

靜電(Static Electricity)就是物體表面過剩或不足的靜止電荷，它是一種電能，留存于物體表面，是正電荷和負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果；靜電是通過電子或離子的轉(zhuǎn)移而形成的．

2.1 磨擦產(chǎn)生靜電

圖1 不同物體摩擦?xí)r束縛電子的本領(lǐng)

當(dāng)物體相互磨擦?xí)r，使兩個(gè)物體帶上等量異號(hào)電荷叫磨擦起電．按物體束縛電子能力的強(qiáng)弱來排列，如圖1所示，排位在前的材料容易丟失電子帶正電，反之較易得到電子而帶負(fù)電．除了不同物質(zhì)之間的接觸摩擦?xí)a(chǎn)生靜電外，相同物質(zhì)之間接觸摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電，幾乎常見的非金屬和金屬之間的接觸、摩擦均產(chǎn)生靜電，產(chǎn)生的靜電能量除了取決于物質(zhì)本身外，還與材料表面的清潔程度、環(huán)境條件、接觸壓力、光潔程度、表面大小和摩擦分離速度等有關(guān)[2]．

2.2 感應(yīng)產(chǎn)生靜電

不帶電物體靠近（不相連）一個(gè)帶電物體時(shí)，它的一端會(huì)帶上異號(hào)電荷，這種產(chǎn)生靜電的方法叫感應(yīng)起電．大家知道，帶電體在其周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，當(dāng)有其它物體在靠近時(shí)，就會(huì)在這場的作用之下產(chǎn)生極化，極化以后的電介質(zhì)在電力線方向相對的兩面產(chǎn)生極性相反而大小相等的感應(yīng)電荷，從而成為新的電場源而產(chǎn)生靜電．如圖2所示．

圖2 感應(yīng)產(chǎn)生靜電示意圖

2.3 接觸產(chǎn)生靜電

物體在接觸距離小于25(10-4cm)時(shí)，電子就會(huì)轉(zhuǎn)移，形成雙電子層產(chǎn)生靜電．一個(gè)帶電的物體與另外一個(gè)物體相互接觸，基于電荷間的互相作用，帶電的物體的部分電荷轉(zhuǎn)移到了另外一個(gè)物體上，另外一個(gè)物體也就帶上了和帶電的物體一樣的電荷[3]．

2.4 人體產(chǎn)生靜電

人體本身就是一個(gè)非均勻的電磁場，由于人體內(nèi)電介質(zhì)的連通性和血液的不斷循環(huán)，使身體的電能達(dá)到了某種平衡，電荷才不會(huì)在某個(gè)部位聚集．人體靜電主要包括人體、衣服、鞋襪等與其他物體摩擦、靜電感應(yīng)、直接接觸帶電體，或吸附電微粒而產(chǎn)生的．

3 靜電的危害

3.1 靜電力的特性帶來的危害

3.1.1 由磨擦引起的

例如，飛機(jī)在空中飛行時(shí)，機(jī)身與空氣、水氣、灰塵等微粒磨擦使飛機(jī)帶電，當(dāng)電荷積聚到一定數(shù)量時(shí)就會(huì)影響機(jī)上通信設(shè)備的正常運(yùn)行而失控，極易造成災(zāi)難的發(fā)生．

3.1.2 由吸附效應(yīng)引起的

靜電的吸附效應(yīng)從某種程度上講是一種污染源，使產(chǎn)品質(zhì)量下降，影響紡織、印刷、塑料薄膜包裝等自動(dòng)化生產(chǎn)，成為現(xiàn)代工業(yè)的障礙之一，也是日常生活中讓人頭痛的問題．由靜電導(dǎo)致的某些化纖衣物上的灰塵，怎么拍也不易掉，其原因就是靜電的吸附性引起的；特別是在要求無塵無菌的生化實(shí)驗(yàn)室里，由于靜電吸塵，極有可能干擾實(shí)驗(yàn)與研究的過程和結(jié)果而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失?。?/p>

3.1.3 由靜電感應(yīng)引起的

靜電帶電體周圍形成的強(qiáng)電場不僅可以使介質(zhì)擊穿，造成許多電子產(chǎn)品內(nèi)的電路失效，而且還可以在半導(dǎo)體器件中造成潛在的威脅，導(dǎo)致電路和設(shè)備可靠性降低．

例如雷雨天氣，由于靜電感應(yīng)，云層與云層之間，云層與地面之間存在上億伏的高壓，就會(huì)產(chǎn)生劇烈的放電現(xiàn)象．靜電放電過程是電壓、電流隨機(jī)瞬時(shí)變化的電磁輻射過程．伴隨而來的強(qiáng)烈的電磁脈沖和電磁輻射對航空、航天以及許多信息化設(shè)備很強(qiáng)的電磁干擾[4]．

3.2 靜電火花的特性帶來的危害

當(dāng)電荷積累到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花，極易點(diǎn)燃某些易燃物體而發(fā)生爆炸，造成災(zāi)難性事故．

ESD(Electrostatic Discharge，ESD靜電放電現(xiàn)象)激起的熱效應(yīng)是一種絕熱過程，作為點(diǎn)火源、引爆源，瞬時(shí)可引起易燃易爆氣體燃燒、爆炸．還可能使半導(dǎo)體器件、集成電路過熱，造成局部熱損傷，以致電路性能變壞或失效．

3.3 高壓特性對人體的危害

靜電放電對人體電擊或人體靜電本身的放電都會(huì)對人體形成意外刺激，導(dǎo)致精神緊張，手腳動(dòng)作失常，引發(fā)機(jī)械故障、碰傷、高空墜落等“二次事故”．在日常生活中人們對不同“靜電”電壓反應(yīng)現(xiàn)象不同，見表1所示[5]．

表1 人們對不同靜電電壓反應(yīng)現(xiàn)象

特別是年紀(jì)大的人皮膚表面比較干燥、心血管系統(tǒng)存在一些病變者，靜電容易使病情加重、誘發(fā)早搏和心律失常等[6]．

4 消除方案

知道了“靜電”的產(chǎn)生和危害之后，應(yīng)該采取積極的方法和手段來消除已產(chǎn)生的“靜電”．消除靜電的方法，一般是采取接地泄放靜電、增加空氣濕度、添加抗靜電劑、使用消電器等．

4.1 接地泄放靜電

由靜電引起災(zāi)害、故障的原因多數(shù)是由于對導(dǎo)體（金屬）沒有準(zhǔn)備接地設(shè)備或?qū)拥卦O(shè)備缺少管理．凡是產(chǎn)生靜電的所有金屬容器都應(yīng)有專門的接地裝置，與大地保證良好接觸．圖3是表示靜電接地的概念圖．首先，靜電儲(chǔ)蓄——即要有有帶電可能性的導(dǎo)體（金屬）．這個(gè)導(dǎo)體是對大地絕緣的導(dǎo)體．由于這樣的導(dǎo)體與大地間有靜電電容，即形成電容器．這樣的電容器通常是有漏電的不完善的電容器．所以是否成為靜電接地對象必須要有判斷的基準(zhǔn)．現(xiàn)行的規(guī)程中，以10歐姆 以上的泄漏電阻接地，而且它的接地電阻取1000歐姆以下．

圖3 靜電接地的概念圖

4.2 增加空氣濕度

當(dāng)空氣中的相對濕度在65%～70%以上時(shí)，物體表面就會(huì)形成微薄的水層，它將溶解電解質(zhì)和雜質(zhì)，使帶電體表面電導(dǎo)率大大提高，靜電荷就會(huì)迅速泄掉．根據(jù)調(diào)查裝卸汽油過程中，油罐電位的結(jié)果表明，如表2[1]，如果空氣相對濕度為40%或者更低時(shí)，容易發(fā)生火花放電，引發(fā)靜電災(zāi)害．而空氣濕度較大時(shí)，只要將其控制在65%或更高時(shí)就不會(huì)發(fā)生這種情況．

表2 不同相對濕度示的油罐電位

4.3 添加抗靜電劑

抗靜電劑是以油脂為主要原料的表面活性劑，它能使絕緣物體表面形成水膜，既防止靜電電荷的產(chǎn)生，又有加快電荷泄放．一般在生產(chǎn)原料中加入很少的抗靜電劑就能顯著減少生產(chǎn)過程中的靜電．生產(chǎn)中抗靜電劑的添加不能影響材料的性能，要根據(jù)生產(chǎn)情況使用相應(yīng)的抗靜電劑，要進(jìn)入下道工序時(shí)，頭道工序使用的抗靜電劑應(yīng)能很容易地除去，工序最后處理可使用永久性抗靜電劑．

4.4 屏蔽

所謂屏蔽是用封閉或幾乎封閉的金屬殼將絕緣體包圍起來，金屬殼必須接地．這樣即可以防止絕緣體與其他導(dǎo)體放電，又能抑制靜電產(chǎn)生，達(dá)到限制絕緣體電勢的目的和防止靜電感應(yīng)的作用．金屬殼可用金屬膜、金屬網(wǎng)等導(dǎo)電材料或金屬絲繞制而成．采用靜電屏蔽，是針對易散發(fā)靜電的設(shè)備、部件和儀器而采取的屏蔽措施[8]．

4.5 利用靜電中和器

靜電中和器又叫靜電消電器，它能產(chǎn)生電子和離子．因此，帶電體吸引電性相反的電荷將本身電荷中和，從而消除靜電的危險(xiǎn)．按其工作原理可分為感應(yīng)式、高壓式和放射式．

4.5.1 感應(yīng)式中和器

利用感應(yīng)放電消除靜電的裝置叫感應(yīng)式中和器，常用金屬制成針狀或齒狀，并接地．如圖4所示，放電針尖端靠近需要消除靜電的物體，在帶電體感應(yīng)下出現(xiàn)異性電荷，感應(yīng)電荷集中于針尖，在針尖和物體之間就產(chǎn)生較大電勢差，如果物體所帶靜電電量較大、電壓較高，在物體和針尖之間就發(fā)生電暈放電．異性離子在電場作用下向帶電體運(yùn)動(dòng)，于是帶電體上的電荷得到中和．感應(yīng)放電裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和安裝．缺點(diǎn)是它不能完全消除靜電：物體帶電量較少、電壓較低時(shí)，不能產(chǎn)生放電現(xiàn)象；并且針尖和物體之間必須保持較小的距離（約1cm～2cm）．

圖4 感應(yīng)中和器示意圖

圖5 高壓中和器示意圖

4.5.2 高壓式中和器

如圖5 所示，高壓式中和器主要有高壓源、放電針、接地極等構(gòu)成．由于高壓源的作用，放電針和接地極之間產(chǎn)生強(qiáng)電場，發(fā)生電暈放電，也就是原來作為絕緣層的空氣在高壓下被電離成為正負(fù)離子而成為導(dǎo)體，原來帶靜電的物體就可以通過吸引異種電荷而中和，從而消除靜電．

這種方法由于有電源而能產(chǎn)生大量離子，必要時(shí)還可以強(qiáng)制空氣流通而使離子分布范圍更廣，因此適用在較大范圍內(nèi)消除靜電．由于有火花放電的危險(xiǎn)，故不能用于有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境．

4.5.3 放射線式中和器

利用射線的電離作用消除靜電不需要電源，很少需要維修．但要注意安全，由于它可能產(chǎn)生放射性的污染，所以應(yīng)用不多．

4.6 利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)

有些半導(dǎo)體在光照時(shí)能產(chǎn)生大量的“空穴-電子”對，如果在半導(dǎo)體表面有靜電，半導(dǎo)體就能將這些靜電消除．沒有光照時(shí)半導(dǎo)體中極少有“空穴-電子”對，半導(dǎo)體上所帶靜電就難以消除．如靜電復(fù)印原理：使硒鼓帶上靜電，然后用光照，沒有文字或圖像的地方光照強(qiáng)，半導(dǎo)體產(chǎn)生的大量“空穴-電子”對將該靜電導(dǎo)走；而有文字或圖像的地方光照弱，靜電就留在硒鼓上，形成潛像．靜電吸引磨粉就顯現(xiàn)出圖像，將磨粉轉(zhuǎn)到紙上就成可復(fù)現(xiàn)的圖像，再定影，就復(fù)印好了．

5 總 結(jié)

從上述對“靜電”的產(chǎn)生、危害、如何消除等討論中，我們充分認(rèn)識(shí)了“靜電”的問題，它關(guān)系到人類的生活、工作和環(huán)境等各個(gè)方面．我們不僅要十分了解“靜電”產(chǎn)生的原理，更要看到“靜電”所帶來危害的嚴(yán)重性，所以采取積極有效的措施和手段來防止“靜電”的產(chǎn)生和消除已經(jīng)產(chǎn)生的“靜電”，以及如何最大效率的利用靜電為我所用就成了新的科學(xué)研究領(lǐng)域．建國以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國靜電科學(xué)研究已取得了很大的進(jìn)展，并取得了重要的研究成果，許多新理論、新科學(xué)技術(shù)已經(jīng)形成．如何進(jìn)一步防止靜電的危害、利用靜電造福于人類社會(huì)，對于我們具有十分重要的意義．但是隨著信息化時(shí)代的到來、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仍有許多新的問題有待深入研究解決．如靜電放電電磁脈沖場的測試和模型的建立，既是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，也是靜電防護(hù)研究中的一個(gè)難題．

[1]郭延生.靜電危害及其防護(hù)[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2004,17(4):40-42.

[2]陰家龍.電子產(chǎn)品組裝中的靜電防護(hù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004,21:97-99.

[3]吳忠甫.靜電的產(chǎn)生、危害及應(yīng)用[J].中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),1999,9(5):3-4.

[4]林金堵.靜電的產(chǎn)生危害及預(yù)防[J].印制電路信息,2005,4:3-4.

[5]林金堵.靜電的產(chǎn)生危害及預(yù)防[J].印制電路信息,2005,4:3-4.

[6]欣欣.人身上的靜電哪里來[J].生活百事,2005:46.

[責(zé)任編輯張燦邦]

The static electricity discussed shallowly

FAN Shi-min,LIU Guang-dong ,Li Jun
(School of Physics and Electronic Science,Fuyang Normal College,Fuyang Anhui 236041,China)

The static electricity is one kind of common natural phenomenon: On the one hand the static electricity phenomenon may benefit the humanity;On the other hand， the static electricity phenomenon may do harm to the humanity to a great extent.Therefore， it is extremely important for us to know the production and harm of the static electricity and dopt the effective measure elimination as well as the protection so as to turn the shortcoming into the advantage.

Static electricity;Electrostatic induction;Electric charge

O441.1

：A

：1008-9128（2014）05-0040-04

2014-02-26

安徽省高校自然科學(xué)一般adhh項(xiàng)目（KJ2012B137）；阜陽師范學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（No.2011FSKJ12）；阜陽師范學(xué)院校級(jí)（No.2011FSKJOIZD）；阜陽師范學(xué)院科技成果孵化項(xiàng)目（2011kjfh03）；阜陽師范學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（2012JYXM39）

范士民（1957-），男，安徽阜陽人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究。