靜電(英文:Static Electricity),物理現象,是電荷在物質系統中的不平衡分布產生的現象。
靜電并不是靜止的電,而是宏觀上暫時停留在某處的電。靜電一般存在于物體的表面,是正、負電荷在局部范圍內失去平衡的結果。靜電的特點是高電位和小通量,人在地毯或沙發上立起時,人體電壓也可高1萬多伏,而橡膠和塑料薄膜表面的靜電更是可高達10多萬伏。靜電的產生主要包括摩擦產生靜電、感應產生靜電。電荷不能創造,也不能消失,只能從一個物體轉移到另一個物體。靜電現象就是電荷在產生和消失過程中產生的電現象的總稱。
常見的靜電危害就是發生靜電火花,將增加火災和爆炸發生的可能性。對于避免靜電的措施,一般使用將靜電接地、增加空氣的濕度或加入抗靜電劑的辦法,來減少靜電的產生。
定義
靜電,物理現象,是指物體所帶電荷處于靜止或緩慢變化的相對穩定狀態。靜電并不是靜止的電,而是宏觀上暫時停留在某處的電。靜電一般存在于物體的表面,是正、負電荷在局部范圍內失去平衡的結果。人體電壓可高達1萬多伏,橡膠和塑料薄膜表面的靜電更是可高達10多萬伏。靜電可由物質的接觸和分離、靜電感應、介質極化和帶電微粒的附著等物理過程而產生,靜電的特點是高電位和小通量。
發現簡史
約公元前600年,古希臘哲學家塔勒斯在研究天然磁石的磁性時,用絲綢、法蘭絨摩擦琥珀,發現其具有吸引輕小物體的靜電效應,成為有歷史記載的第一個靜電實驗者。中國西漢《春秋緯·考異郵》首次記載玳瑁吸附芥籽現象,晉朝《博物志》明確記錄了梳頭起電伴有的光聲效應。
公元1600年,英國威廉·吉爾伯特(Gilbert)總結了前人的經驗,把這種現象命名為“電”。
中國國漢朝也發現了靜電。王充的著述中,有琥珀引針的說法。
進入十八世紀,人類才通過試驗方法,發現靜電的規律,發現了電荷另為正電(玻璃電)、負電(琥珀電)兩種。1785年,庫倫定律產生并證明雷電也是“電”的現象,同時研究靜電儀器。電學史上把伏打學說作為由靜電向動電發展的標志,它是發明穩定而又連續的電源電池約根據之一。
1820年,安德烈·安培(Ampere)發現了電磁效應。1831年,法拉底(Faraday)發現了電磁感應定律。1865年,麥克斯偉(Maxwell)全面指出了宏觀現象基本規律,至今一百多年來人類研究和應用了電,并發展了規模宏大的現代化工業。1953年,在英國倫敦召開了第一次國際靜電會議,進行學術討論會。
生活現象
生活中,早上起床用塑料發梳梳頭時頭發會向上立起來,沒辦法梳整齊;夜間脫衣時,黑暗環境下可聽到噼啪聲響,并伴有藍光;在脫化纖衣物、毛毯行走等場景中,靜電電壓可高達數萬伏,例如脫純聚對苯二甲酸乙二醇酯衣物時,靜電電壓瞬間可達5萬至10萬伏;見面握手時,手指剛一接觸到對方,會突然感到指尖針刺般刺痛;拉門把手、開水龍頭時都會"觸電",時常發出"啪"的聲響。以上列舉的現象都是生活中發生在人體的靜電放電現象。雖然這些現象看似對人體并沒有造成多大的影響,但是靜電放電會給人體帶來二次傷害,特別是老年人容易出現心律失常的癥狀。當人體的靜電達到一定量并且存在電位差時,人和人、人和物體之間就會發生放電現象,給人以觸電的感覺。
分類
根據靜電放電時帶電物體與接受物體是否接觸,可分為接觸放電(也稱導體放電)和空氣放電(不接觸,通過空氣隙放電,通常有電弧現象發生,故稱輝光放電或火花放電)。對于元器件而言,根據靜電放電的施放者與接受者的不同,靜電放電可分為以下三種。
(1)人體對器件的放電(HBM):帶電人體通過元器件對地放電。在短至幾百納秒的時間內產生數安培的瞬間放電電流,能量中等,發生概率最大。
(2)設備對器件的放電(MM):帶電設備通過元器件對地放電。其放電電阻小,在幾納秒到幾十納秒內會有數安培的瞬間放電電流產生,能量大,破壞力也大。
(3)帶電器件的放電(CDM):通過摩擦或接觸帶電的元器件對地直接放電。其放電時間更短,放電上升時間小于Ins,尖峰電流會達到15A,持續時間小于10ns,能量相對較低。
產生方式
靜電產生的方式有很多種,主要形式包括兩種:摩擦產生靜電和感應產生靜電。
在日常生產和生活中,人們經常會感受到摩擦起電的現象。摩擦起電通常分成兩個過程。
①接觸一電子轉移的過程。當兩種物體接觸時,在交界面處形成“雙電層”;
②摩擦、分離一起電的過程。實際上,任何兩個不同材質的物體接觸后再分離,即可產生靜電,而產生靜電的普遍方法,就是摩擦生電。摩擦產生的熱量為電子轉移提供了能量,使靜電作用大大加強。材料的絕緣性越好,越容易產生靜電,摩擦產生靜電主要發生在絕緣體之間。當一個不帶電的導體靠近帶電體時,在靠近帶電體的表面會感應出異種電荷,而遠離帶電體的表面出現同種電荷,這就是感應產生靜電的過程,非導體不會出現感應起電現象。
此外,當正電荷聚集在某個物體上時就形成了正靜電,當負電荷聚集在某個物體上時就形成了負靜電,處于不同靜電電勢的兩個物體間的靜電電荷的轉移稱為“靜電放電”,簡寫ESD(Elec-trostatic Discharge)。
另外,如果將物體瞬間接地 (由于物體通過站在地上的人或放在地上的物 瞬間接觸),那 么遠離帶電體表面的電荷就會釋放。由于靜電感應和感應起電,可能在導體(包括人體)上產生很高的電壓,導致危險的火花放電。這是一個容易被人們忽視的危險因素。靜電感應的原理也用于靜電測量。
壓電效應
在平行于壓電體的極化方向施加外力,壓電體電極上的電荷面密度會發生變化,這種機械能轉化為電能的現象稱為正壓電效應. 在平行于壓電體的極化方向施加電場,壓電體會沿此方向發生伸長或縮短的形變,這種電能轉化為機械能的現象稱為逆壓電效應。
危害影響
生產生活
隨著科技進步,高分子材料、大規模集成電路廣泛應用于各種行業,靜電帶來的危害日趨凸顯。在生活生產中最主要的靜電源是人體所攜帶的靜電,由于人體自身動作或與物體摩擦可以存儲成千上萬伏的靜電,碰到放電體就發生ESD,產生寬頻帶電磁輻射干擾,干擾電子設備或儀器儀表、放電電流致使電子元件失效甚至損傷,也可能引發危險品事故。在飛機機體與空氣、水氣、灰塵等微粒摩擦時會使飛機帶電,如果不采取措施,將會嚴重干擾飛機無線電設備的正常工作;在印刷廠里,紙張收卷不齊,套印不準,吸污嚴重,甚至紙頁之間的靜電會使紙頁粘合在一起,難以分開,影響生產,給印刷帶來麻煩;在紡織工業中,還會出現根絲飄動、纏花斷頭、紗線糾結等危害。在制藥廠里,由于靜電吸引塵埃,會使藥品達不到標準的純度;在放電視時熒屏表面的靜電容易吸附灰塵和油污,形成一層塵埃的薄膜,使圖像的清晰程度和亮度降低。常見的靜電危害就是發生靜電火花,將增加火災和爆炸發生的可能性,在手術臺上,電火花會引起麻醉劑的爆炸,傷害醫生和病人;在煤礦,則會引起瓦斯爆炸,會導致工人死傷,礦井報廢。對于避免靜電的措施,一般使用將靜電接地、增加空氣的濕度或加入抗靜電劑的辦法,來減少靜電的產生。常見的靜電危害就是發生靜電火花,將增加火災和爆炸發生的可能性。對于避免靜電的措施,一般使用將靜電接地、增加空氣的濕度或加入抗靜電劑的辦法,來減少靜電的產生。
此外,人體受到靜電電擊,會出現精神緊張、心臟顫動或者身體其他部位出現不適現象,容易加重心理負擔,影響正常的學習、工作以及生活。
航天設備
在航空航天工業中,ESD、電子電氣(EOS)、電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)對于飛機、飛船和衛星都是十分重要的。靜電防護的本質是降低靜電電荷累積和安全泄放問題。
靜電放電(ESD)是具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉移。
防護原則
綜述
靜電防護的目的是在電子元器件、組件、設備的制造和使用過程中,通過各種防護手段,防止因靜電的力學和放電效應而產生或可能產生的危害,或將這些危害限制在最小程度,以確保元器件、組件、設備的設計性能及使用性能不因靜電作用受到損傷。靜電防護的原則是控制靜電的產生和控制靜電的消散。控制靜電產生主要是控制工藝過程和工藝過程中材料的選擇。控制靜電的消散則主要是快速而安全地將產生的靜電泄放和中和。通過這兩方面共同的作用,就有可能使靜電電平不超過安全限度,達到靜電防護的目的。
此外,半導體器件應用于各種電子通訊設備當中,元件對靜電非常敏感,靜電不僅會使計算機出現操作不當或者運算錯誤的現象,甚至會造成元器件被嚴重損壞的后果。靜電對計算機外部設備也會造成影響,例如如果帶陰極射線管的顯示設備受到靜電侵擾,圖像就無法正常顯示,而且打印機、網卡、Modem等外部組件也會工作失常。
預防
工作
工人待在斗臂車里在高壓線上帶電作業,穿的屏蔽服是絕緣的。屏蔽服內織入了金屬絲或導電纖維,褲子、上衣、手套、帽子、鞋及其相應的連接頭和連接線組成了一套完整的屏蔽服裝。穿著時必須將所有部分的多股金屬連接線按照規定次序和屏蔽服相連,形成一個密不透風的“保護網”,屏蔽住全身部位。當人爬到高壓線路上時,人體外表面各部位形成一個等電位屏蔽面,從而防護人體免受高壓電場及電磁波的危害,因此帶電作業不會出現觸電事故。工作人員使用的工具一定得使用絕緣工具,比如絕緣繩、絕緣吊桿、防護工具等。
此外,防止靜電危害最基本的方法就是接地,所有的金屬物體必須全部做好接地,這樣一來如果靜電帶電體因接觸金屬物體或者電子通信機殼放電時,靜電能夠通過接地系統將電流導入到地下,相當于給靜電開辟了一條新的通道 ,這樣就能避免它對人們的生產生活造成傷害。由于靜電接地要和其他設備的接地一起使用,所以接地電阻要取最小值。此外,還要做好屏蔽工作,屏蔽主要是切斷靜電噪聲和雷電電磁脈沖的靜電感應,而保證計算機等各種電子設備的正常運行。
生活
生活中,靜電如果頻繁找上你,可能是因為皮膚缺水了。涂抹護手霜、潤膚霜、保濕霜等,提高皮膚的濕潤度,可以更好地避免靜電的產生,也就避免了靜電給皮膚帶來疼痛感。
去除
靜電事故在潮濕季節的發生率比較低,是因為電荷不容易集聚,而在干燥季節的靜電事故發生率會大大提升。因此,控制好濕度是避免產生靜電的有效措施。勤拖地,在地上撒適量的水,室內還可以利用空調、加濕器這種恒溫設備來控制濕度,避免靜電的發生。
此外,可選購市面上常見的靜電放電器、靜電釋放棒、靜電帶、靜電貼、除靜電鑰匙扣等。觸碰大門、門把、水龍頭、椅背、床欄等金屬部件時,不要直接用手接觸,可用小金屬器件(如一串鑰匙)先大面積握住,再用鑰匙的尖端觸碰需接觸的位置消除靜電,再用手觸及;下出租車時也常發生電擊現象,主要由于下車時身體與座位摩擦產生靜電積累,而下車后關門時,手突然碰鐵門就會遭電擊,此時也可采用此方法。
參考資料 >
靜電有多危險,你真的知道嗎?.江蘇應急與管理.2023-12-20