關(guān)于靜電效應(yīng)及其應(yīng)用的研究

楊洪濤 冀文慧 呼和滿都拉

(集寧師范學(xué)院物理系,內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

關(guān)于靜電效應(yīng)及其應(yīng)用的研究

楊洪濤 冀文慧 呼和滿都拉

(集寧師范學(xué)院物理系,內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

本論文從基礎(chǔ)的靜電原理談起,針對其物理中的相關(guān)理論和應(yīng)用做了分析比較,同時對靜電效應(yīng)在社會生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用和危害防治做了概括總結(jié)。

靜電 靜電效應(yīng) 靜電應(yīng)用

靜電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今,科學(xué)家對它的研究從未停止,從對靜電屏蔽的簡單應(yīng)用、壓電效應(yīng)中的靜電感應(yīng)應(yīng)用,到現(xiàn)代的靜電發(fā)電、靜電集塵等新技術(shù)的開發(fā)利用等等,伴隨著靜電新技術(shù)的開發(fā)使用,靜電帶來的各類危害也日益增多,特別是在電子工程中的影響尤其突出,靜電一直與我們大家的生活息息相關(guān)。所以靜電效應(yīng)的綜合防治與有效利用,也越來越受到人們的關(guān)注。

1 靜電效應(yīng)基本原理簡介

談及靜電效應(yīng),首先就應(yīng)該了解靜電感應(yīng),靜電感應(yīng)是一種起電方法,如圖1:一對由玻璃棒支撐的導(dǎo)體A與B接觸且不帶電,導(dǎo)體C帶正電,當(dāng)它們相互靠近時,會出現(xiàn)A、B帶電的現(xiàn)象,導(dǎo)體A帶負電,導(dǎo)體B帶正電。

靜電效應(yīng)描述的是一種現(xiàn)象:當(dāng)帶電物體靠近絕緣導(dǎo)體時,導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶相反電性的電荷,遠離帶電體的一端帶相同電荷的現(xiàn)象。

靜電效應(yīng)的基本原理:當(dāng)導(dǎo)體A、B接觸時,導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子沒有受到外電場E0的作用,從而均勻分布,當(dāng)C靠近A、B時,帶電體C會產(chǎn)生附加電場E1,對于放入此電場中的導(dǎo)體,其內(nèi)部的電荷會發(fā)生定向移動,其結(jié)果是指示導(dǎo)體的兩端出現(xiàn)等量的正、負電荷[1]。

2 在導(dǎo)體及壓電效應(yīng)中的靜電感應(yīng)原理

2.1 導(dǎo)體中的靜電感應(yīng)原理

如果在導(dǎo)體周圍,存在外電場E,其內(nèi)的自由電子將會受到電場E的影響,電荷排列重新分布,自由電荷的新的分布方式會引起一個電場,其電場方向與E的方向相反,設(shè)新電場的強度為E內(nèi)。導(dǎo)體內(nèi)的電場強度等于E外和E內(nèi)的疊加,等大反向的電場因疊加而互相抵消,使得導(dǎo)體內(nèi)部的總電場強度為零,導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將不再定向移動。在靜電學(xué)中導(dǎo)體內(nèi)沒有電荷定向移動的狀態(tài)即稱為靜電平衡。處于此狀態(tài)下的導(dǎo)體,自由電荷分布在導(dǎo)體的外表面上。若處于電場中的導(dǎo)體是中空的,那么達到靜電平衡時,其內(nèi)部也將沒有電場。這樣,導(dǎo)體的外殼像一層保護膜一樣,對其內(nèi)部加以保護,使外部電場不會對內(nèi)部產(chǎn)生影響,這就是靜電屏蔽現(xiàn)象[2]。如圖2所示。

圖1 (靜電感應(yīng)原理圖)

圖2 (靜電屏蔽過程圖)

圖3 (同心導(dǎo)體球殼表面電荷分布)

2.2 壓電效應(yīng)中的靜電感應(yīng)原理

2.2.1 壓電效應(yīng)簡述

電介質(zhì)在受到外力的作用時會發(fā)生形變,而某些電介質(zhì)在形變的同時其內(nèi)部會出現(xiàn)極化(取向極化)現(xiàn)象。形成一種類似導(dǎo)體靜電屏蔽的狀態(tài),當(dāng)把外力撤去后,電介質(zhì)又將變成不帶電的狀態(tài),這種神奇的實驗現(xiàn)象即為壓電效應(yīng),也稱作正壓電效應(yīng)。

當(dāng)電介質(zhì)在受到用力作用而產(chǎn)生壓電效應(yīng)時,如果將作用力的方向改變,那么電介質(zhì)的外顯電性也將改變。反之,如果在電介質(zhì)的極化方向上有外加電場,那么電介質(zhì)亦發(fā)生形變,電場被撤掉后,電介質(zhì)將會恢復(fù)原貌[3]。

2.2.2 靜電能的新技術(shù)應(yīng)用

隨著壓電技術(shù)在理論上的日臻成熟,在實際應(yīng)用方面也取得了很大進步,海浪壓電發(fā)電技術(shù)就是一種已經(jīng)很成熟的發(fā)電技術(shù),科學(xué)家將壓電聚合物合成器浸沒在深水海域,用錨鏈將其與海面上的浮體相連,浮體會隨著海浪的沖擊而激烈浮動,使壓電聚合物受到周期性作用力,由此產(chǎn)生電能。再通過儲電技術(shù)將電能傳送出來。相類似的,科學(xué)家們將壓電裝置植入手機的話筒內(nèi),這樣人們在講話的同時會產(chǎn)生微電能,這些電能又會為手機進行充電,如此就能讓手機處在不斷電的狀態(tài),對此類技術(shù)的研究開發(fā)在能源的可持續(xù)利用上具有重要意義。北京大學(xué)工學(xué)院先進材料與納米技術(shù)系的研究小組,利用了氧化鋅納米線發(fā)明了納米級的發(fā)電機,可將機械能轉(zhuǎn)換成電能,其發(fā)電效率可達到17%至30%之間,這為研究自發(fā)電納米原件奠定了理論基礎(chǔ)[4]。

3 靜電效應(yīng)的傳統(tǒng)性危害

3.1 靜電災(zāi)害

此類災(zāi)害多指由靜電引發(fā)的大火或爆炸事故,其爆發(fā)具有突發(fā)性,往往會造成巨大損失。在漆黑的夜晚,我們脫毛料衣服時,會有明亮的火花產(chǎn)生同時伴有“叭叭”的響聲,這也屬于靜電放電,不過這不會對我們的身體造成傷害?？墒窃卺t(yī)院中,由于操作失誤而引發(fā)放電火花,可以導(dǎo)致醫(yī)用麻醉劑發(fā)生爆炸,給正在手術(shù)的患者和醫(yī)務(wù)人員的安全帶來威脅;在煤礦采礦作業(yè)中,更是會引起大面積的瓦斯爆炸,致使工人死傷、礦井報廢。

3.2 靜電障害

人們把靜電給人類的生活帶來的麻煩與障礙稱為靜電障害,雖然它不具有突然爆發(fā)性,但它同樣會給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴重的危害,尤其是在電子行業(yè),要求儀器的精良縝密,靜電會引起電子元件失靈甚至報廢。例如,在飛機飛行的過程中由于摩擦而帶電,如果放任不管,將會干擾飛機無線電設(shè)備的正常工作,給飛機的安全帶來隱患,飛機上靠窗的乘客可以看到,飛機的側(cè)翼尖裝有防靜電的放電刷,為了保護乘客飛機著陸時的安全,在起落架上會安裝有接地線,以便將飛機在空中產(chǎn)生的靜電荷釋放掉。在印刷廠里,紙頁摩擦產(chǎn)生的靜電會使紙頁粘合,給印刷和裁剪工作帶來影響;在制藥廠里,塵埃顆粒較多,這些顆粒會受到的吸引,導(dǎo)致藥品無法達到標準純度,降低合格率;顯像管電視機在使用時,熒屏表面的靜電吸附空氣中的灰塵,在屏幕上會出現(xiàn)薄薄的一層塵埃膜,引起圖像的清晰度和亮度的降低[5]。

4 靜電效應(yīng)在現(xiàn)代電子工程中所產(chǎn)生的影響

20世紀是各行各業(yè)飛速發(fā)展的年代,人們開始把靜電學(xué)的重點從研究實驗階段向靜電技術(shù)的革新應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。同時靜電也給工業(yè)生產(chǎn)帶去了障礙和危害。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,高分子納米材料、微電子技術(shù)的普及應(yīng)用,靜電引起的危害更是引起了人們的重視。

靜電危害及其防護是防護工程學(xué)的研究重點,其理論研究涉及廣泛,與近代電測技術(shù)、材料科學(xué)、氣體放電理論等多學(xué)科都有普遍聯(lián)系。靜電是一種能源,不過辯證法說物質(zhì)具有兩面性,在它帶給我們方便的同時,由靜電所引起的麻煩與不便,也時刻困擾著我們。在冬季寒冷的北方,人們時常會因為接觸金屬門把,引起人體靜電放電,很多時候這不會對人造成危害,不過對帶有電子器材(例如:心臟起搏器等)的人是十分危險的,有可能引起效用失靈。在實驗室里,靜電作用可能會降低精密實驗器材的靈敏度,給實驗測量帶來不必要的誤差影響。現(xiàn)代工業(yè)中對高分子材料的使用日漸增多,由此帶來的靜電危害問題愈來愈嚴重。某些高分子材料制品的迅速更新?lián)Q代以及高度自動化的生產(chǎn)方式,都是靜電能高度累積的原因。除此之外靜電敏感材料(如:輕質(zhì)油品、固態(tài)電子器件等)的使用,也給了靜電許多可乘之機,在相關(guān)領(lǐng)域造成了很嚴重的人員和財產(chǎn)的損失。靜電放電會使得火箭和導(dǎo)彈發(fā)射失敗或者自毀;也可破壞電子器件的使用壽命和安全,每年由此引起的損失就可高達上百億美元;在太空飛行器中它破壞許多關(guān)鍵部件(粒子照相機、太陽能電池組等)的正常使用,大大縮短其使用壽命,給太空飛行器的正常運行帶來麻煩,還會干擾各類航天飛行器與地面之間的信號聯(lián)系,嚴重時會造成航天器失控[5]。

5 靜電效應(yīng)的應(yīng)用

靜電效應(yīng)在基礎(chǔ)物理中有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ),特別是在處理復(fù)雜電場、同心球體等類型題中有著很好的效果,除此之外,其在生產(chǎn)生活中更是有著非常廣闊的效用空間。

5.1 靜電效應(yīng)在基礎(chǔ)物理中的應(yīng)用

5.1.1 用唯一性定理解釋靜電屏蔽效應(yīng)

唯一性定理指出:邊界條件可以將空間里電場的恒定分布唯一確定下來?，F(xiàn)給出簡單證明如下:

給定M個導(dǎo)體,第k (M＞k)個導(dǎo)體上的總電量:QK

取一任意形狀的閉合金屬殼接地。第一種情況:現(xiàn)從外面移過來若干正或負的帶電體。若腔內(nèi)無帶電體,則其中E=0。第二種情況:將帶電體放進腔內(nèi),而殼外無帶電體,則外部空間E=0。今設(shè)想將兩種情況合并,分析此時殼內(nèi)外電場分布是否仍和一、二兩種情況相同？

首先,討論第一種情況,由于導(dǎo)體殼的靜電屏蔽作用,它在腔內(nèi)場強為零,此時腔內(nèi)的環(huán)境和情況二相同,所以,可以產(chǎn)生預(yù)制相同的恒定分布。其次,當(dāng)內(nèi)部電場分布如情況二時,它在殼外產(chǎn)生電場,所以殼外帶電體所處的環(huán)境和情況一相同,即可以產(chǎn)生相同的恒定分布。這說明殼內(nèi)、外帶電體同時存在時,若殼內(nèi)、外的電荷和電場分別維持情況一和情況二相同的分布,是可以達到靜電平衡的。由唯一性定理可知,兩種情況的中的內(nèi)部空間邊界條件相同,從而不管外部是否帶電荷,內(nèi)部的穩(wěn)定分布是唯一的,這便是殼對內(nèi)部的靜電屏蔽效應(yīng)。

5.1.2 靜電效應(yīng)在處理物理習(xí)題中的應(yīng)用

由導(dǎo)體的靜電平衡條件出發(fā),可以的到幾個相關(guān)結(jié)論:

(1)導(dǎo)體是個等勢體,導(dǎo)體表面是等勢面。

(2)導(dǎo)體以外靠近其表面的地方場強處處與其表面垂直。

例:金屬球M被一同心的金屬球N包圍,分別給M、N兩個導(dǎo)體以電量+6cμ和+10cμ,問N球殼的外表面帶電多少？如圖3所示。

我們可設(shè)想不讓N球殼帶有電荷,由于其內(nèi)表面受到M球殼的靜電感應(yīng)必定要出現(xiàn)-6cμ的電量,由電荷守恒定律可知,在它的外表面必定會出現(xiàn)+6cμ的電量。由于內(nèi)球M帶正電,所以-6cμ的電量被吸引到了N球的表面,而多余的那+6cμ的電量將被排斥到外表面。這樣外表面就會帶+6cμ的電量,當(dāng)再給球殼N以+10cμ的電量時,這些電荷將均勻分布在外表面上,最后使N殼的外表面共獲得+16cμ的電量。

5.2 靜電效應(yīng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

5.2.1 靜電集塵及噴涂

在某些特定工作區(qū)域(如礦場、生產(chǎn)車間)中空氣漂浮物的含量很高,這會威脅到生產(chǎn)安全,靜電集塵就是很好的除塵方式,樓層辦公間及工廠車間中存在很多空氣顆粒塵埃,它們在通過高壓電場時,由于陰極不斷放電、混合氣體被電離成氣體離子,帶負電的離子向陽板運動,在這一過程中會與粉塵顆粒相碰,導(dǎo)致塵粒荷帶負電,在電場力的作用下使其向著陽極運動,它們在陽極放出電子并留在陽極板上。對于家庭用小型集塵器,為了減少由靜電效應(yīng)產(chǎn)生的臭氧給人們的身心健康帶來威脅,通常采用正電暈放電的方式。根據(jù)社會發(fā)展需求,高性能,經(jīng)濟實用的電氣集塵器技術(shù)得到不斷地發(fā)展應(yīng)用。

靜電噴涂是在電氣集塵原理上的一種開發(fā)應(yīng)用。這種技術(shù)首先是將涂料微粒化,然后讓其帶有負電荷,被涂裝的金屬器件與大地相連,從噴嘴噴出的涂料粒子會沿著強電場的電力線移動,使涂料穩(wěn)固的吸附在器件表面。靜電涂料可有效減少資源的浪費,比傳統(tǒng)操作相比,其噴涂效果有明顯提高,靜電噴涂還可以進行流水作業(yè),大大提高生產(chǎn)效率。在家電電器、汽車以及各種類的電動機等的噴涂方面有廣闊的應(yīng)用空間。

5.2.2 靜電攝影

靜電攝影就是應(yīng)用靜電技術(shù)來記錄靜態(tài)圖像,有很多操作手段,這里將其原理做簡單介紹。將鍍有硒膜的硒鼓板置于暗室,采用電暈放電的方式使其帶電,然后將其完全曝光,能被光照射到硒膜會失去正電荷帶上負電,之后再將帶負電的著色劑均勻涂撒在膜上,著色劑由于硒膜上帶正電的部分的吸引而牢牢吸附其上,在上面貼上帶有正電荷的紙,復(fù)制著色劑形成的圖案,經(jīng)過加熱定影就可以了,非常方便快捷,這類技術(shù)在復(fù)印機中被廣泛采用。

5.2.3 靜電選別

在金屬板上放有混合粒子,利用放電技術(shù)使整個金屬板帶電。將金屬板傾斜,導(dǎo)電性好的粒子失去的電子多,與金屬板間的吸附力會降低,將會從金屬板上不斷滑落,而那些導(dǎo)電性弱的粒子就會停留在金屬板上,通過這種技術(shù)即可進行不同粒子的篩選,其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,是可以針對不同土質(zhì)選取與之適應(yīng)的良種。在礦石開采中,可以用來選別不同種類的礦石。還可以應(yīng)用于食品加工,去除異物雜質(zhì)提高品質(zhì)等[6]。

5.2.4 靜電殺菌

在實驗室中,用漏泄試驗變壓器(輸出負高電壓,電壓范圍在0～60kv,電流0～2．5mA)可以產(chǎn)生高壓靜電,有靜電放電產(chǎn)生臭氧,當(dāng)臭氧達到一定濃度時,可以對霉菌等細菌的生長起到很好的抑制效果(臭氧是強氧化劑,它以氧原子的氧化作用破壞微生物膜的結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)殺菌作用)。這在食品工程中有著廣泛的應(yīng)用[7]

6 結(jié)語

本文對靜電效應(yīng)基本原理及其傳統(tǒng)性危害做了詳細介紹,總結(jié)了其在電子工程中所產(chǎn)生的影響,而且對靜電綜合防治和實際應(yīng)用做了對比。通過對已知知識的梳理和對課外知識的拓展,可以讓讀者更深刻的理解靜電效應(yīng)。

[1]程守珠,江之永.普通物理學(xué)[M].高等教育出版社,1998.

[2]趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)[M].高等教育出版社,2003.

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[4]張彥芳.壓電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].科技資訊,2010.

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[6]劉尚合,宋學(xué)軍.靜電及其研究進展[J].自然雜志,第29卷.

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