作者：邓欣怡

第一章：引言

1.2 静电的概念

1.2.1 日常的静电现象

在日常生活中，特别是在干燥的冬天，人们经常会碰到各种静电现象。这些静电现象非常细微，它们基本不会对人体造成伤害。

1)晚上熄灯睡觉，脱去化纤毛衣时，在黑暗中常能看到微弱火花闪电在毛衣上跳跃，并伴有噼啪的声响；

2)早上起床，用梳子梳头整理头发时，经常发现梳子会吸附头发，头发会“飘”起来，导致越理越乱；

3)朋友见面，相互握手时，指尖刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，并伴有响声；

4)拉门时，手刚接触门把手，会有“触电”感，并发出“啪”的声响；如图1-7所示，是手指与门把手之间静电放电。

图1-7手指与门把手之间放电

在生产环境中，也会发生很多静电现象，它们会造成非常严重的后果，引发严重事故，导致公共财产损失和人身安全。

1)在手术台上，静电火花会引发麻醉剂爆炸，伤害医生和病人；

2)在煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸，导致工人死伤，矿井报废； 

3)在制药厂，生产环节通常会产生很多粉末，静电火花会导致严重的爆炸，并引发火灾；

4)在爆竹厂，静电火花会引发火药爆炸，导致工人死伤，把厂房夷为平地；

为了避免生产环境中发生静电现象，在生产流程上会有许多严格的标准流程和规避措施，从而达到避免发生静电现象。

1)运输易燃易爆物品的车辆，通过拖拉一条垂到地面的铁链把静电荷传导到大地，达到避免静电放电导致爆炸的目的。如图1-8所示，是带铁链的运输车辆；

2)飞机飞行的过程中机身会产生大量静电，可以通过导电橡胶轮胎在飞机着陆时把机身静电荷传导到大地；

3)工厂车间门口通过负离子清洗间消除人体衣服上的静电，再通过手触摸静电消除器消除身体上的静电。如图1-9所示，是静电消除器。

图1-8带铁链的运输车辆

图1-9静电消除器

在自然界中，雷电是每天自发发生的大规模静电现象。由于积雨云中冰晶、水滴和空气对流，在这个过程中它们相互摩擦使云层产生电荷积累，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，地表面是零电位，它们之间形成电位差，电位差高达数千万伏特。当空气中的湿度达到某个临界值时，空气会被强电场电离，从而产生放电路径。在放电过程中，闪电通道平均产生 1.0×104A的电流，最大电流约1.0×105A，伴随着闪电，产生大量的热能，一个中等强度的雷暴所产生的功率高达1000万瓦，如此巨大的能量输出，相当于一座小型核电站的输出功率。随着巨大的功率输出，并伴随着释放巨量热能，闪电电离通道的温度急剧升高，空气体积急剧膨胀，产生巨大冲击波，形成轰隆隆的雷鸣声。如图1-10所示，是雷电图示。

图1-10雷电图示

为了避免雷电击毁建筑物，可以在建筑物上安装避雷针，避雷针会首先通过尖端放电产生放电路径把在建筑物附近的静电荷传导到大地，从而中和云层中的静电荷，避免高压电流击毁建筑物，达到保护建筑物的目的。如图1-11所示，是简单的避雷针的原理。如图1-11（a）所示，是带静电荷的云层靠近建筑物时，云层带负电荷，建筑物感应出正电荷。如图1-11（b）所示，是带避雷针的建筑物会通过尖端放电电离出正离子，并逐渐中和云层中的静电。

图1-11简单的避雷针的原理

有瀑布或者喷泉的地方，会产生大量的负离子。水滴在空气中发生自由落地运动，会相互产生摩擦，使得水滴与空气的分界面上产生电荷。研究表明，大水滴在空气中飞溅的过程中，会产生大量缓慢飘落的小水滴，较大的水滴会带正电荷，而较小的雾气状的水滴会带负电荷。带正电荷的水汽使人觉得不适，而带负电的水汽会使人觉得愉悦，这是因为带负电的水汽可以增强人体的某些细胞的机能，对健康能发挥有益的作用。当人们置身于滨海、湖泊、山涧、瀑布等环境中，会感到精神爽快、全身舒适，这是由于这些地方周围湿润的空气中富含大量的负离子，大量的负离子会对人体某些细胞产生有益的影响。这就是为什么人们总喜欢去有水的地方游玩，并且流连忘返。

我国古籍也记载了很多关于静电的现象：

1)东汉（公元88年）王充所著的《论衡·乱龙篇》记载了：“顿牟（即玳瑁）掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类。他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”【白话文的意思：经过摩擦的琥珀（玳瑁）能吸引芥籽，磁石能吸引钢针，这是因为它们之间的“气性”相同，能相互感动；其它与芥籽、钢针相似的东西，因与玳瑁、磁石的“气性”不同，所以不能相互感动。】

2)西晋（公元3世纪）张华撰写的《博物志》记载了：“今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声”。【白话文的意思：梳子与头发摩擦而起电，外衣与不同质料的内衣摩擦起电引起闪电和噼啪之声的现象。】

1.2.2静电的定义

研究表明，两个不同材质的物体（例如丝绸和塑料棒）经过相互摩擦后能吸引轻微物体（例如头发和纸片）。这是因为两种物质通过摩擦后，物质表面发生了物理变化，它们成为了带电体，它们分别带有不同的电荷。自然界存在两种特性不同的电荷，分别是正电荷和负电荷。带相同类型电荷的物体互相排斥，带不同类型电荷的物体互相吸引。根据带电体之间的相互作用力的大小，能够确定物体所带电荷的数量，表示物体所带电荷数量的物理量称为电荷量，用符号q表示，用正值表示正电荷的电荷量，用负值表示负电荷的电荷量。

当处于静止状态的电荷聚集在某个物体内部或表面时，就会形成静电。静电是一种客观存在的自然现象，就像细菌一样，看不到，摸不着，无所不在。静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。通常用伏特（V，简称伏）表示静电，伏特也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用移动所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。物体中的静电电压值是由两个因素决定：分别是物体的带电量和物体的电容。如果给定物体的总电量，那么电容越低，则电压越高，反之亦然。

思考一下电容、电阻、湿度和温度等对静电的影响。

1)塑料一般来说电容非常低，因此很少的电量就可以产生很高的电压。相反，金属的电容非常高，因此较多的电量只产生较低的电压。这就是在实际应用中，使用塑料产生的静电问题更加受人重视的原因。

2)物体电阻越大，电荷越不易耗散。例如塑料和金属，塑料的电阻非常高，因此塑料产品上的电荷很难导走，而金属的电阻非常低，接地的金属带电荷的时间极短。

3)湿度对静电的影响也很大，湿度越大，越不容易累积电荷，静电电压越小，湿度越小，越容易累积电荷，静电电压越大。在潮湿的空气中不容易累积电荷，不会产生高压放电，在干燥的空气中很容易累积电荷，很容易产生静电放电。表1-3 是湿度对人体静电电位的影响。

4)温度对静电基本没有影响，只是在温暖的环境中空气相对湿润一点，所以温度高不容易产生静电，而在寒冷的环境中空气比较干燥，能够快速积聚电荷，所以温度低容易产生静电。

表1-3 湿度对人体静电电位的影响

通过实验可以得到人体对静电电击程度的感受，表1-4是人体带电电位与静电电击程度的感觉。

表1-4人体带电电位与静电电击程度的感觉

1.2.3 静电序列表

导体和绝缘体中存在大量的电子。导体中的电子可以在导体内部自由移动，通常把这些电子称为自由电子，它们的平均速度非常大，例如铜材料内部自由电子即使在绝对零度的环境下，其运动非常激烈，平均速度约为106m/s。绝缘体中的电子几乎都被束缚在原子范围内，只能在原子内部围绕原子核做运动，不能在原子间自由移动。无论是导体还是绝缘体，其电子都不能逃离物体表面，这表明物质表面存在一种阻止电子逸出的阻力，电子处在物质内部的能量小于它脱离物质表面的能量，电子欲从物质内部逸出到外部，就要克服阻力做功。一个电子脱离物质内部跑到物质外部需要做的最小的功称为逸出功，又称为功函数。

不同物质电子的功函数是不同的，有的大，有的小。当两个电中性的物质相互摩擦接触且接触距离小于几nm时，电子会从功函数小的物质移动到功函数大的物质上，功函数大的物质得到电子，带负电，功函数小的物体失去电子，带正电。当两个物体相互摩擦接触时，由于功函数的不同，其带电符号也就决定了，将这两个物质分离，对外都显现出带电现象。正、负电荷往往存在于离界面非常近的地方，形成所谓的偶电层。偶电层带电量的多少与两个物质电子功函数的差成比例。

通常依据不同物质功函数大小，把功函数小的排前面，功函数大的排后面，依次按从小到大的顺序排列，形成一个序列表，把这个表称为物质摩擦带电的静电序列表。静电序列表反映了不同的物体相互摩擦时，静电序列表前面的物质更容易带正电荷，后面的物质更容易带负电荷。静电序列表上的位置相距越远的两种物质，摩擦后产生的电位差越大。

表1-4是4种标准的静电序列表。这个表分别罗列了IEC-SC15D-48-CD、MIL-HDBK-263A、AT&T静电放电计划管理和IEEE Std.C62.47等的静电序列。它们是按照各种物质相互摩擦时，从带正电荷到带负电荷的顺序依次整理而成。因为存在许多因素会影响静电序列表，不能对所有因素做详尽的分析，表1-4静电序列表只能作为一般的参考。根据这个静电序列表，随机抽取其中两种物质相互摩擦，排在前面的带正电，排在后面的负电。了解了静电序列表的基本特点后，在静电防护要求高的生产车间，做静电防护选材时，可以尽量选用在静电序列表中位置相近的物质，这样可减少摩擦起电产生的静电荷。

表1-4 静电序列表

1.2.4静电产生的原因和方式

根据静电产生的原因，可以把产生静电的方式分成四大类：接触分离起电、摩擦起电、感应起电和传导起电。

第一种是接触分离起电。任何两个不同材质的物体接触后再分离即可产生静电。实际上它属于碰撞起电，动能转化为电势能。当两个不同物体相互接触时物体A的电子获得足够的电势能而脱离原子核的束缚离开原来的轨道进入物体B，物体A失去一定数量的电子而带正电。而物体B得到一定数量的电子而带负电。如果物体A和物体B在分离的过程中电荷没有中和，物体A和物体B就会带上静电，所以不同材质的物体接触后分离就会带上静电。如图1-13所示是胶带分离产生静电。

图1-13胶带分离产生静电

第二种是摩擦起电。摩擦起电也是一种接触分离起电的形式。摩擦是一个不断接触与分离的过程，同时动能转化为热能和电势能，因为电子得到电势能而脱离原子核的束缚离开原来的轨道，电子在两个物体间相互运动，造成正负电荷不平衡。摩擦起电是产生静电的最普通方法，材料的绝缘性越好越容易摩擦起电。摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数，表面粗糙度，湿度，接触压力以及相对运动速度。一个人或一辆车所能储存的静电电量的电压值很大程度上由它们自身的电容决定，电容越大储存的静电电量也会越大。如图1-14所示是人体穿胶鞋在地上行走摩擦产生静电，胶鞋上带了正电，地面带了负电荷。

图1-14人体穿胶鞋在地上行走摩擦产生静电

第三种是感应起电。导体材料的电子可以在它的表面自由运动，如果将其放置在静电场中，静电场会使导体材料内部和表面的电子重新分布，电子沿着电场线反方向运动聚集，发生极化现象，极化后的导体材料沿电场方向的一端带正电，逆电场方向的另一端带负电。当外部电场消失后，导体材料极化现象消失，材料表面电子重新恢复平衡。如图1-15所示是感应起电原理，带正电荷的物体A接近相互接触的物体B和C，靠近物体A的物体B感应出了等量的负电荷，而物体C出现了等量的正电荷，当把带正电的物体A移除，物体B和物体C的感应电荷消失。如图1-16所示是感应电场消失后，感应电荷也消失。如图1-17所示是感应分离起电原理，如图1-17（A）所示是带正电荷的物体A接近相互接触的物体B和C，感应电场使物体B和C分别带了等量的电荷，如图1-17（B）所示是分离物体B和C，同时移除物体A，感应电场消失，物体B和C的电荷不会消失。

第四种是传导起电。当导体材料与带电物体接触时，将会发生电荷转移而使导体材料带电。导体材料与带正电的物体接触会使导体材料带正电，导体材料与带负电的物体接触会使导体材料带负电。如图1-18所示是传导起电的原理，带正电荷的物体A接触不带电的物体B，物体A的电荷会转移到物体B上，移开物体A后，物体B上的电荷依然存在，实际上是物体A的一部分电荷转移到了物体B上。

图1-18传导起电的原理