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静电

静电(英文:Static Electricity),物理现象,是电荷在物质系统中的不平衡分布产生的现象。

静电一般存在于物体的表面,是正、负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电的特点是高电位和小通量。静电的产生主要包括摩擦产生静电、感应产生静电。电荷不能创造,也不能消失,只能从一个物体转移到另一个物体。静电现象就是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。

常见的静电危害就是发生静电火花,将增加火灾和爆炸发生的可能性。对于避免静电的措施,一般使用将静电接地、增加空气的湿度或加入抗静电剂的办法,来减少静电的产生。

定义

静电,物理现象,是指物体所带电荷处于静止或缓慢变化的相对稳定状态。静电一般存在于物体的表面,是正、负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生,静电的特点是高电位和小通量。

发现简史

公元600多年前,古希腊人发现琥珀被其它物体摩擦后具有吸引轻微物体的能力,这是最早人们观察到的静电现象。

公元1600年,英国威廉·吉尔伯特(Gilbert)总结了前人的经验,把这种现象命名为“电”。

中国国汉朝也发现了静电。王充的著述中,有琥珀引针的说法。

进入十八世纪,人类才通过试验方法,发现静电的规律,发现了电荷另为正电(玻璃电)、负电(琥珀电)两种。1785年,库伦定律产生并证明雷电也是“电”的现象,同时研究静电仪器。电学史上把伏打学说作为由静电向动电发展的标志,它是发明稳定而又连续的电源电池约根据之一。

1820年,安德烈·安培(Ampere)发现了电磁效应。1831年,法拉底(Faraday)发现了电磁感应定律。1865年,麦克斯伟(Maxwell)全面指出了宏观现象基本规律,至今一百多年来人类研究和应用了电,并发展了规模宏大的现代化工业。1953年,在英国伦敦召开了第一次国际静电会议,进行学术讨论会。

生活现象

生活中,早上起床用塑料发梳梳头时头发会向上立起来,没办法梳整齐;晚上脱毛衣时也会听到噼噼啪啪的声音;和别人初次见面时握手出现触电的感觉,会有些许的尴尬。以上列举的现象都是生活中发生在人体的静电放电现象。虽然这些现象看似对人体并没有造成多大的影响,但是静电放电会给人体带来二次伤害,特别是老年人容易出现心律失常的症状。当人体的静电达到一定量并且存在电位差时,人和人、人和物体之间就会发生放电现象,给人以触电的感觉。

分类

根据静电放电时带电物体与接受物体是否接触,可分为接触放电(也称导体放电)和空气放电(不接触,通过空气隙放电,通常有电弧现象发生,故称辉光放电或火花放电)。对于元器件而言,根据静电放电的施放者与接受者的不同,静电放电可分为以下三种。

(1)人体对器件的放电(HBM):带电人体通过元器件对地放电。在短至几百纳秒的时间内产生数安培的瞬间放电电流,能量中等,发生概率最大。

(2)设备对器件的放电(MM):带电设备通过元器件对地放电。其放电电阻小,在几纳秒到几十纳秒内会有数安培的瞬间放电电流产生,能量大,破坏力也大。

(3)带电器件的放电(CDM):通过摩擦或接触带电的元器件对地直接放电。其放电时间更短,放电上升时间小于Ins,尖峰电流会达到15A,持续时间小于10ns,能量相对较低。

产生方式

静电产生的方式有很多种,主要形式包括两种:摩擦产生静电和感应产生静电。

在日常生产和生活中,人们经常会感受到摩擦起电的现象。摩擦起电通常分成两个过程。

①接触一电子转移的过程。当两种物体接触时,在交界面处形成“双电层”;

②摩擦、分离一起电的过程。当两物体接触后又迅速分离时,总有一部分转移出来的电子来不及返回到其原来所在的物体,从而使一个物体因电子过剩而带负电,而另一个物体因电子不足而带正电。实际上,只要两种不同的物体接触再分离就会产生静电,而摩擦产生的热量为电子转移提供了能量,使静电作用大大加强。摩擦产生静电主要发生在绝缘体之间。当一个导体靠近带电体时,在靠近带电体的表面会感应出异种电荷,而远离带电体的表面出现同种电荷,这就是感应产生静电的过程,非导体不会出现感应起电现象。

此外,处于不同静电电势的两个物体间的静电电荷的转移称为“静电放电”,简写ESD(Elec-trostatic Discharge)。

另外,如果将物体瞬间接地 (由于物体通过站在地上的人或放在地上的物 瞬间接触),那 么远离带电体表面的电荷就会释放。由于静电感应和感应起电,可能在导体(包括人体)上产生很高的电压 ,导致危险的火花放电。 这是一个容易被人们忽视的危险因素。 静电感应的原理也用于静电测量 。

压电效应

在平行于压电体的极化方向施加外力,压电体电极上的电荷面密度会发生变化,这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应. 在平行于压电体的极化方向施加电场,压电体会沿此方向发生伸长或缩短的形变,这种电能转化为机械能的现象称为逆压电效应。

危害影响

生产生活

随着科技进步,高分子材料、大规模集成电路广泛应用于各种行业,静电带来的危害日趋凸显。在生活生产中最主要的静电源是人体所携带的静电,由于人体自身动作或与物体摩擦可以存储成千上万伏的静电,碰到放电体就发生ESD,产生宽频带电磁辐射干扰,干扰电子设备或仪器仪表、放电电流致使电子元件失效甚至损伤,也可能引发危险品事故。常见的静电危害就是发生静电火花,将增加火灾和爆炸发生的可能性。对于避免静电的措施,一般使用将静电接地、增加空气的湿度或加入抗静电剂的办法,来减少静电的产生。常见的静电危害就是发生静电火花,将增加火灾和爆炸发生的可能性。对于避免静电的措施,一般使用将静电接地、增加空气的湿度或加入抗静电剂的办法,来减少静电的产生。

此外,人体受到静电电击,会出现精神紧张、心脏颤动或者身体其他部位出现不适现象,容易加重心理负担,影响正常的学习、工作以及生活。

航天设备

在航空航天工业中,ESD、电子电气(EOS)、电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)对于飞机、飞船和卫星都是十分重要的。静电防护的本质是降低静电电荷累积和安全泄放问题。

静电放电(ESD)是具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。

防护原则

综述

静电防护的目的是在电子元器件、组件、设备的制造和使用过程中,通过各种防护手段,防止因静电的力学和放电效应而产生或可能产生的危害,或将这些危害限制在最小程度,以确保元器件、组件、设备的设计性能及使用性能不因静电作用受到损伤。静电防护的原则是控制静电的产生和控制静电的消散。控制静电产生主要是控制工艺过程和工艺过程中材料的选择。控制静电的消散则主要是快速而安全地将产生的静电泄放和中和。通过这两方面共同的作用,就有可能使静电电平不超过安全限度,达到静电防护的目的。

此外,半导体器件应用于各种电子通讯设备当中,元件对静电非常敏感,静电不仅会使计算机出现操作不当或者运算错误的现象,甚至会造成元器件被严重损坏的后果。静电对计算机外部设备也会造成影响,例如如果带阴极射线管的显示设备受到静电侵扰,图像就无法正常显示,而且打印机、网卡、Modem等外部组件也会工作失常。

预防

工作

工人待在斗臂车里在高压线上带电作业,穿的屏蔽服是绝缘的。屏蔽服内织入了金属丝或导电纤维,裤子、上衣、手套、帽子、鞋及其相应的连接头和连接线组成了一套完整的屏蔽服装。穿着时必须将所有部分的多股金属连接线按照规定次序和屏蔽服相连,形成一个密不透风的“保护网”,屏蔽住全身部位。当人爬到高压线路上时,人体外表面各部位形成一个等电位屏蔽面,从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害,因此带电作业不会出现触电事故。工作人员使用的工具一定得使用绝缘工具,比如绝缘绳、绝缘吊杆、防护工具等。

此外,防止静电危害最基本的方法就是接地,所有的金属物体必须全部做好接地,这样一来如果静电带电体因接触金属物体或者电子通信机壳放电时,静电能够通过接地系统将电流导入到地下,相当于给静电开辟了一条新的通道 ,这样就能避免它对人们的生产生活造成伤害。由于静电接地要和其他设备的接地一起使用,所以接地电阻要取最小值。此外,还要做好屏蔽工作,屏蔽主要是切断静电噪声和雷电电磁脉冲的静电感应,而保证计算机等各种电子设备的正常运行。

生活

生活中,静电如果频繁找上你,可能是因为皮肤缺水了。涂抹护手霜、润肤霜、保湿霜等,提高皮肤的湿润度,可以更好地避免静电的产生,也就避免了静电给皮肤带来疼痛感。

去除

静电事故在潮湿季节的发生率比较低,是因为电荷不容易集聚,而在干燥季节的静电事故发生率会大大提升。因此,控制好湿度是避免产生静电的有效措施。勤拖地,在地上撒适量的水,室内还可以利用空调、加湿器这种恒温设备来控制湿度,避免静电的发生。

此外,可选购市面上常见的静电放电器、静电释放棒、静电带、静电贴、除静电钥匙扣等。触碰金属部件时,先用小金属物品(如:钥匙、静电放电棒)先接触需接触的位置,以达到消除静电的目的。

参考资料

static electricity.britannica.2023-12-20

静电有多危险,你真的知道吗?.江苏应急与管理.2023-12-20