與滑梯之間的磨擦使左側的女兒帶上了電,這促使他的眉毛相互抵觸,又與滑梯吸引。
靜電是電荷在物質系統中的不平衡分布形成的現象。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,電荷會保持在物體上,除非被其他物體移走靜電的物理知識,所以稱之為“靜電”。靜電與電壓不同,前者是電荷在導體中的定向聯通形成的熱學現象。帶電物體常常具有吸引輕小物體(例如紙屑)的性質。
起電
使物體帶上電荷稱作“起電”。組成物質的原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。正常情況下,物體中正負電荷電量相等,對外不顯示出電性,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目的電子,使物體內部正負電荷電量不相等,物體都會對外呈現電性,即帶電。物體帶電后,可以使用靜電驗電器檢驗電荷的種類和多少。
磨擦起電
用磨擦的方式使物體帶電稱作磨擦起電。兩種不同物質互相磨擦時,電子在物體之間發生轉移,是磨擦起電的實質。兩種物質接觸時,因為二者的電子逸出功不同,電子會從低逸出功的物質流向高逸出功的物質。這是因為兩物體接觸點電勢相同,高逸出功的物質對應電子能量更低。喪失電子的物質逐步帶上正電,得到電子的物質逐步帶上負電,最終正負電荷構建的反向電場與使電子流動的效應抵消,電子的轉移停止。
正負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
主條目:靜電感應
靜電感應是物體內的電荷因受外界電荷的影響而重新分布。這個現象由法國科學家約翰·坎通和美國科學家約翰·卡爾·維爾克(法語:JohanCarl)分別在1753年和1762年發覺。
當帶正電的物體C被移近左邊的導體時,導體內部能自由聯通的電荷遭到C形成的電場影響,兩側A端集聚負電荷,兩側B端集聚正電荷。此時若將此導體從中間切開,則A、B兩部份分別帶上等量的負電荷和正電荷。使A、B兩部份重新接觸后,它們所帶電荷全部消失,回復原來的電中性狀態。
放電
靜電積累以后,因為不同物體電勢不同,電荷通過頓時電壓發生轉移的過程稱為放電。夏季手和金屬之間的火花、閃電等現象都屬于放電。
物體因為積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的相對介電常數。為了計算放電對精密儀器的影響,人體一般由一個電容為100pF,電流4000到35000伏特的電容器取代,借此進行研究。當人們觸摸物體時,這種能量在不到1微秒的時間內釋放下來。即使釋放的能量很小(大概為0.001焦耳的數目級),但仍能對敏感的儀器導致損害。更大的物體能存儲更多的能量,甚至能對人體導致直接害處,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象。普遍覺得,閃電發生前的電荷積累由云層中的冰晶顆粒的接觸磨擦形成。當云和云之間或云層和地面之間的電勢差足夠大時,空氣被擊穿產生電壓,即為閃電。放電產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生放電,形成的電火花可能會導致爆燃。
充分混和的膠狀物質或則不易導電的流體在管路中流動時,或遭到機械攪拌時,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,會顯得非常可燃易爆。一旦靜電放電發生,都會引起爆燃。因為這個緣由引起了許多工業車禍。
濁度率高于50pS/m的流體被劃為不易導電。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。物理工業中,50pS/m是判定是否須要為設備添加除靜電裝置的標準。
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
因為太空環境中溫度十分低,會有大量的靜電積累上去,對航天器上的儀器導致害處。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也會發生強烈的放電,會對精密儀器導致影響。
靜電的能量
靜電放電時釋放的能量有大有小,覆蓋了相當廣的范圍。將積累了靜電的物體視作電容器,則放電時釋放的能量E{E}
、電壓U{U}
得到:
E=12CU2{E={frac{1}{2}}CU^{2}}
有實驗人員恐怕,人體的電容大概為400pF,電流50,000伏特(以觸及車輛時為例),放電時釋放的能量大概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。國際鉗工委員會標準479-2:1987強調能量小于5J的放電對人體健康導致直接的風險。這一委員會的標準60065強調消費級產品不能對人形成能量小于0.35J的放電。
低至0.2mJ的電火花可能存在起火的危險,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:
足以破壞大多數電子設備的靜電具有2到(2*10-9J~1*10-6J)。
靜電的清除和防治
去除靜電的最簡單方式就是使用空氣加濕器靜電的物理知識,提升空氣的相對溫度可以提高空氣的導電性,有利于物體上的靜電經過空氣被導走。使用離子發生器也能達到相同的療效。
對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電,進而避免靜電積累。
許多半導體設備對靜電很敏感,這種電路器件一般須要用防靜電包裝(比如由金屬網制成)來進行保護。在對富含敏感器件的電路進行操作時,人們也會穿戴防靜電裝置。
一塊包裹在防靜電包裝里的網卡
一個帶有蟒蛇夾的防靜電手環
靜電的應用
在打印、空氣過濾、印刷、噴漆等領域有借助靜電的特點。
參見注釋
^近些年亦有實驗強調,倘若玻璃棒氣溫較高,或玻璃棒表面粗糙致使磨擦時局部氣溫較高,玻璃棒上會形成負電荷。