與滑梯之間的磨擦使左側(cè)的女兒帶上了電,這促使他的眉毛相互抵觸,又與滑梯吸引。
靜電是電荷在物質(zhì)系統(tǒng)中的不平衡分布形成的現(xiàn)象。用毛皮磨擦琥珀、絲綢磨擦玻璃棒等方式均能使物體帶電。物體帶電后,電荷會(huì)保持在物體上,除非被其他物體移走靜電的物理知識(shí),所以稱之為“靜電”。靜電與電壓不同,前者是電荷在導(dǎo)體中的定向聯(lián)通形成的熱學(xué)現(xiàn)象。帶電物體常常具有吸引輕小物體(例如紙屑)的性質(zhì)。
起電
使物體帶上電荷稱作“起電”。組成物質(zhì)的原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。正常情況下,物體中正負(fù)電荷電量相等,對(duì)外不顯示出電性,即不帶電。在一定的外部作用下(例如磨擦),物體得到或喪失一定數(shù)目的電子,使物體內(nèi)部正負(fù)電荷電量不相等,物體都會(huì)對(duì)外呈現(xiàn)電性,即帶電。物體帶電后,可以使用靜電驗(yàn)電器檢驗(yàn)電荷的種類和多少。
磨擦起電
用磨擦的方式使物體帶電稱作磨擦起電。兩種不同物質(zhì)互相磨擦?xí)r,電子在物體之間發(fā)生轉(zhuǎn)移,是磨擦起電的實(shí)質(zhì)。兩種物質(zhì)接觸時(shí),因?yàn)槎叩碾娮右莩龉Σ煌娮訒?huì)從低逸出功的物質(zhì)流向高逸出功的物質(zhì)。這是因?yàn)閮晌矬w接觸點(diǎn)電勢(shì)相同,高逸出功的物質(zhì)對(duì)應(yīng)電子能量更低。喪失電子的物質(zhì)逐步帶上正電,得到電子的物質(zhì)逐步帶上負(fù)電,最終正負(fù)電荷構(gòu)建的反向電場(chǎng)與使電子流動(dòng)的效應(yīng)抵消,電子的轉(zhuǎn)移停止。
正負(fù)電荷的定義是由磨擦起電形成的。用絲綢磨擦過的玻璃棒上所帶的電荷是正電荷,用毛皮磨擦過的橡膠棒所帶的電荷是負(fù)電荷。這些命名法由本杰明·富蘭克林首先提出,仍然延用到現(xiàn)今。至于磨擦起電過程中電子的流向,仍沒有挺好的理論就能給與合理的解釋。
靜電感應(yīng)
主條目:靜電感應(yīng)
靜電感應(yīng)是物體內(nèi)的電荷因受外界電荷的影響而重新分布。這個(gè)現(xiàn)象由法國(guó)科學(xué)家約翰·坎通和美國(guó)科學(xué)家約翰·卡爾·維爾克(法語(yǔ):JohanCarl)分別在1753年和1762年發(fā)覺。
當(dāng)帶正電的物體C被移近左邊的導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部能自由聯(lián)通的電荷遭到C形成的電場(chǎng)影響,兩側(cè)A端集聚負(fù)電荷,兩側(cè)B端集聚正電荷。此時(shí)若將此導(dǎo)體從中間切開,則A、B兩部份分別帶上等量的負(fù)電荷和正電荷。使A、B兩部份重新接觸后,它們所帶電荷全部消失,回復(fù)原來的電中性狀態(tài)。
放電
靜電積累以后,因?yàn)椴煌矬w電勢(shì)不同,電荷通過頓時(shí)電壓發(fā)生轉(zhuǎn)移的過程稱為放電。夏季手和金屬之間的火花、閃電等現(xiàn)象都屬于放電。
物體因?yàn)榉e累靜電而攜帶的能量取決于電荷量大小、物體的大小、物體的電容以及周圍介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。為了計(jì)算放電對(duì)精密儀器的影響,人體一般由一個(gè)電容為100pF,電流4000到35000伏特的電容器取代,借此進(jìn)行研究。當(dāng)人們觸摸物體時(shí),這種能量在不到1微秒的時(shí)間內(nèi)釋放下來。即使釋放的能量很小(大概為0.001焦耳的數(shù)目級(jí)),但仍能對(duì)敏感的儀器導(dǎo)致?lián)p害。更大的物體能存儲(chǔ)更多的能量,甚至能對(duì)人體導(dǎo)致直接害處,或則形成足以燃起易燃二氧化碳或煙塵的電火花。
閃電
閃電:自然界中最常見的放電
主條目:閃電
閃電是自然界中最典型的放電現(xiàn)象。普遍覺得,閃電發(fā)生前的電荷積累由云層中的冰晶顆粒的接觸磨擦形成。當(dāng)云和云之間或云層和地面之間的電勢(shì)差足夠大時(shí),空氣被擊穿產(chǎn)生電壓,即為閃電。放電產(chǎn)生的電壓加熱了周圍的空氣,形成光亮和聲音。
易燃性流體
易燃性流體中蓄積的靜電一旦發(fā)生放電,形成的電火花可能會(huì)導(dǎo)致爆燃。
充分混和的膠狀物質(zhì)或則不易導(dǎo)電的流體在管路中流動(dòng)時(shí),或遭到機(jī)械攪拌時(shí),容易因磨擦而積累靜電。而易燃的粉末充分混和于空氣中時(shí),會(huì)顯得非??扇家妆R坏╈o電放電發(fā)生,都會(huì)引起爆燃。因?yàn)檫@個(gè)緣由引起了許多工業(yè)車禍。
濁度率高于50pS/m的流體被劃為不易導(dǎo)電。在濁度率低于50pS/m的流體中,靜電積累的速度和電荷中和的速度相等,或比它更低,所以靜電無法累積上去。物理工業(yè)中,50pS/m是判定是否須要為設(shè)備添加除靜電裝置的標(biāo)準(zhǔn)。
煤油的濁度率從多于1pS/m到20pS/m不等。相比之下,去離子水的濁度率大概10,000,000pS/m。
航天飛行
因?yàn)樘窄h(huán)境中溫度十分低,會(huì)有大量的靜電積累上去,對(duì)航天器上的儀器導(dǎo)致害處。登上地球的宇航員在極其干燥的地面行走以后接觸航天器時(shí)也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的放電,會(huì)對(duì)精密儀器導(dǎo)致影響。
靜電的能量
靜電放電時(shí)釋放的能量有大有小,覆蓋了相當(dāng)廣的范圍。將積累了靜電的物體視作電容器,則放電時(shí)釋放的能量E{E}
、電壓U{U}
得到:
E=12CU2{E={frac{1}{2}}CU^{2}}
有實(shí)驗(yàn)人員恐怕,人體的電容大概為400pF,電流50,000伏特(以觸及車輛時(shí)為例),放電時(shí)釋放的能量大概0.5焦耳另有恐怕為100-300pF和20,000伏特,大概釋放0.06焦耳能量。國(guó)際鉗工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)479-2:1987強(qiáng)調(diào)能量小于5J的放電對(duì)人體健康導(dǎo)致直接的風(fēng)險(xiǎn)。這一委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)60065強(qiáng)調(diào)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品不能對(duì)人形成能量小于0.35J的放電。
低至0.2mJ的電火花可能存在起火的危險(xiǎn),但這些這么低能量的火花常常高于人的視覺和觸覺感知的最小閥值。
典型的引燃能量:
足以破壞大多數(shù)電子設(shè)備的靜電具有2到(2*10-9J~1*10-6J)。
靜電的清除和防治
去除靜電的最簡(jiǎn)單方式就是使用空氣加濕器靜電的物理知識(shí),提升空氣的相對(duì)溫度可以提高空氣的導(dǎo)電性,有利于物體上的靜電經(jīng)過空氣被導(dǎo)走。使用離子發(fā)生器也能達(dá)到相同的療效。
對(duì)靜電放電敏感的物體可以使用抗靜電劑,使它們的表面顯得容易導(dǎo)電,進(jìn)而避免靜電積累。
許多半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)靜電很敏感,這種電路器件一般須要用防靜電包裝(比如由金屬網(wǎng)制成)來進(jìn)行保護(hù)。在對(duì)富含敏感器件的電路進(jìn)行操作時(shí),人們也會(huì)穿戴防靜電裝置。
一塊包裹在防靜電包裝里的網(wǎng)卡
一個(gè)帶有蟒蛇夾的防靜電手環(huán)
靜電的應(yīng)用
在打印、空氣過濾、印刷、噴漆等領(lǐng)域有借助靜電的特點(diǎn)。
參見注釋
^近些年亦有實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào),倘若玻璃棒氣溫較高,或玻璃棒表面粗糙致使磨擦?xí)r局部氣溫較高,玻璃棒上會(huì)形成負(fù)電荷。