静电刍议

范士民，刘广东，李俊，张丙开

（阜阳师范学院物理与电子科学学院，安徽阜阳 236037）

静电刍议

范士民，刘广东，李俊，张丙开

（阜阳师范学院物理与电子科学学院，安徽阜阳 236037）

静电是一种常见的自然现象．一方面静电现象可造福于人类；另一方面静电现象也会在极为广泛的范围内给人类带来各种各样的危害．因此，认识静电的产生、危害，采取有效的措施消除以及防护，化弊为利对于人们是非常重要的．

静电；静电感应；电荷

1 引言

静电现象是一种常见的带电现象，在工业生产中，也较为普遍：一方面人们利用静电进行某些生产活动，另一面又要防止静电给生产带来危害，静电电量不大，但电压却很高，易产生火花放电，从而引起火灾、爆炸或电击．为了防止静电危害，必须做好静电安全工作，开展安全教育和培训，掌握静电防护措施[1]．

2 静电的产生

静电(Static Electricity)就是物体表面过剩或不足的静止电荷，它是一种电能，留存于物体表面，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；静电是通过电子或离子的转移而形成的．

2.1 磨擦产生静电

图1 不同物体摩擦时束缚电子的本领

当物体相互磨擦时，使两个物体带上等量异号电荷叫磨擦起电．按物体束缚电子能力的强弱来排列，如图1所示，排位在前的材料容易丢失电子带正电，反之较易得到电子而带负电．除了不同物质之间的接触摩擦会产生静电外，相同物质之间接触摩擦也会产生静电，几乎常见的非金属和金属之间的接触、摩擦均产生静电，产生的静电能量除了取决于物质本身外，还与材料表面的清洁程度、环境条件、接触压力、光洁程度、表面大小和摩擦分离速度等有关[2]．

2.2 感应产生静电

不带电物体靠近（不相连）一个带电物体时，它的一端会带上异号电荷，这种产生静电的方法叫感应起电．大家知道，带电体在其周围会产生磁场，当有其它物体在靠近时，就会在这场的作用之下产生极化，极化以后的电介质在电力线方向相对的两面产生极性相反而大小相等的感应电荷，从而成为新的电场源而产生静电．如图2所示．

图2 感应产生静电示意图

2.3 接触产生静电

物体在接触距离小于25(10-4cm)时，电子就会转移，形成双电子层产生静电．一个带电的物体与另外一个物体相互接触，基于电荷间的互相作用，带电的物体的部分电荷转移到了另外一个物体上，另外一个物体也就带上了和带电的物体一样的电荷[3]．

2.4 人体产生静电

人体本身就是一个非均匀的电磁场，由于人体内电介质的连通性和血液的不断循环，使身体的电能达到了某种平衡，电荷才不会在某个部位聚集．人体静电主要包括人体、衣服、鞋袜等与其他物体摩擦、静电感应、直接接触带电体，或吸附电微粒而产生的．

3 静电的危害

3.1 静电力的特性带来的危害

3.1.1 由磨擦引起的

例如，飞机在空中飞行时，机身与空气、水气、灰尘等微粒磨擦使飞机带电，当电荷积聚到一定数量时就会影响机上通信设备的正常运行而失控，极易造成灾难的发生．

3.1.2 由吸附效应引起的

静电的吸附效应从某种程度上讲是一种污染源，使产品质量下降，影响纺织、印刷、塑料薄膜包装等自动化生产，成为现代工业的障碍之一，也是日常生活中让人头痛的问题．由静电导致的某些化纤衣物上的灰尘，怎么拍也不易掉，其原因就是静电的吸附性引起的；特别是在要求无尘无菌的生化实验室里，由于静电吸尘，极有可能干扰实验与研究的过程和结果而导致实验的失败．

3.1.3 由静电感应引起的

静电带电体周围形成的强电场不仅可以使介质击穿，造成许多电子产品内的电路失效，而且还可以在半导体器件中造成潜在的威胁，导致电路和设备可靠性降低．

例如雷雨天气，由于静电感应，云层与云层之间，云层与地面之间存在上亿伏的高压，就会产生剧烈的放电现象．静电放电过程是电压、电流随机瞬时变化的电磁辐射过程．伴随而来的强烈的电磁脉冲和电磁辐射对航空、航天以及许多信息化设备很强的电磁干扰[4]．

3.2 静电火花的特性带来的危害

当电荷积累到一定程度时会产生电火花，极易点燃某些易燃物体而发生爆炸，造成灾难性事故．

ESD(Electrostatic Discharge，ESD静电放电现象)激起的热效应是一种绝热过程，作为点火源、引爆源，瞬时可引起易燃易爆气体燃烧、爆炸．还可能使半导体器件、集成电路过热，造成局部热损伤，以致电路性能变坏或失效．

3.3 高压特性对人体的危害

静电放电对人体电击或人体静电本身的放电都会对人体形成意外刺激，导致精神紧张，手脚动作失常，引发机械故障、碰伤、高空坠落等“二次事故”．在日常生活中人们对不同“静电”电压反应现象不同，见表1所示[5]．

表1 人们对不同静电电压反应现象

特别是年纪大的人皮肤表面比较干燥、心血管系统存在一些病变者，静电容易使病情加重、诱发早搏和心律失常等[6]．

4 消除方案

知道了“静电”的产生和危害之后，应该采取积极的方法和手段来消除已产生的“静电”．消除静电的方法，一般是采取接地泄放静电、增加空气湿度、添加抗静电剂、使用消电器等．

4.1 接地泄放静电

由静电引起灾害、故障的原因多数是由于对导体（金属）没有准备接地设备或对接地设备缺少管理．凡是产生静电的所有金属容器都应有专门的接地装置，与大地保证良好接触．图3是表示静电接地的概念图．首先，静电储蓄——即要有有带电可能性的导体（金属）．这个导体是对大地绝缘的导体．由于这样的导体与大地间有静电电容，即形成电容器．这样的电容器通常是有漏电的不完善的电容器．所以是否成为静电接地对象必须要有判断的基准．现行的规程中，以10欧姆 以上的泄漏电阻接地，而且它的接地电阻取1000欧姆以下．

图3 静电接地的概念图

4.2 增加空气湿度

当空气中的相对湿度在65%～70%以上时，物体表面就会形成微薄的水层，它将溶解电解质和杂质，使带电体表面电导率大大提高，静电荷就会迅速泄掉．根据调查装卸汽油过程中，油罐电位的结果表明，如表2[1]，如果空气相对湿度为40%或者更低时，容易发生火花放电，引发静电灾害．而空气湿度较大时，只要将其控制在65%或更高时就不会发生这种情况．

表2 不同相对湿度示的油罐电位

4.3 添加抗静电剂

抗静电剂是以油脂为主要原料的表面活性剂，它能使绝缘物体表面形成水膜，既防止静电电荷的产生，又有加快电荷泄放．一般在生产原料中加入很少的抗静电剂就能显著减少生产过程中的静电．生产中抗静电剂的添加不能影响材料的性能，要根据生产情况使用相应的抗静电剂，要进入下道工序时，头道工序使用的抗静电剂应能很容易地除去，工序最后处理可使用永久性抗静电剂．

4.4 屏蔽

所谓屏蔽是用封闭或几乎封闭的金属壳将绝缘体包围起来，金属壳必须接地．这样即可以防止绝缘体与其他导体放电，又能抑制静电产生，达到限制绝缘体电势的目的和防止静电感应的作用．金属壳可用金属膜、金属网等导电材料或金属丝绕制而成．采用静电屏蔽，是针对易散发静电的设备、部件和仪器而采取的屏蔽措施[8]．

4.5 利用静电中和器

静电中和器又叫静电消电器，它能产生电子和离子．因此，带电体吸引电性相反的电荷将本身电荷中和，从而消除静电的危险．按其工作原理可分为感应式、高压式和放射式．

4.5.1 感应式中和器

利用感应放电消除静电的装置叫感应式中和器，常用金属制成针状或齿状，并接地．如图4所示，放电针尖端靠近需要消除静电的物体，在带电体感应下出现异性电荷，感应电荷集中于针尖，在针尖和物体之间就产生较大电势差，如果物体所带静电电量较大、电压较高，在物体和针尖之间就发生电晕放电．异性离子在电场作用下向带电体运动，于是带电体上的电荷得到中和．感应放电装置结构简单，易于制造和安装．缺点是它不能完全消除静电：物体带电量较少、电压较低时，不能产生放电现象；并且针尖和物体之间必须保持较小的距离（约1cm～2cm）．

图4 感应中和器示意图

图5 高压中和器示意图

4.5.2 高压式中和器

如图5 所示，高压式中和器主要有高压源、放电针、接地极等构成．由于高压源的作用，放电针和接地极之间产生强电场，发生电晕放电，也就是原来作为绝缘层的空气在高压下被电离成为正负离子而成为导体，原来带静电的物体就可以通过吸引异种电荷而中和，从而消除静电．

这种方法由于有电源而能产生大量离子，必要时还可以强制空气流通而使离子分布范围更广，因此适用在较大范围内消除静电．由于有火花放电的危险，故不能用于有爆炸危险的环境．

4.5.3 放射线式中和器

利用射线的电离作用消除静电不需要电源，很少需要维修．但要注意安全，由于它可能产生放射性的污染，所以应用不多．

4.6 利用半导体光电效应

有些半导体在光照时能产生大量的“空穴-电子”对，如果在半导体表面有静电，半导体就能将这些静电消除．没有光照时半导体中极少有“空穴-电子”对，半导体上所带静电就难以消除．如静电复印原理：使硒鼓带上静电，然后用光照，没有文字或图像的地方光照强，半导体产生的大量“空穴-电子”对将该静电导走；而有文字或图像的地方光照弱，静电就留在硒鼓上，形成潜像．静电吸引磨粉就显现出图像，将磨粉转到纸上就成可复现的图像，再定影，就复印好了．

5 总 结

从上述对“静电”的产生、危害、如何消除等讨论中，我们充分认识了“静电”的问题，它关系到人类的生活、工作和环境等各个方面．我们不仅要十分了解“静电”产生的原理，更要看到“静电”所带来危害的严重性，所以采取积极有效的措施和手段来防止“静电”的产生和消除已经产生的“静电”，以及如何最大效率的利用静电为我所用就成了新的科学研究领域．建国以来，随着国民经济的迅速发展，我国静电科学研究已取得了很大的进展，并取得了重要的研究成果，许多新理论、新科学技术已经形成．如何进一步防止静电的危害、利用静电造福于人类社会，对于我们具有十分重要的意义．但是随着信息化时代的到来、科学技术的发展，仍有许多新的问题有待深入研究解决．如静电放电电磁脉冲场的测试和模型的建立，既是当前研究的热点，也是静电防护研究中的一个难题．

[1]郭延生.静电危害及其防护[J].现代物理知识,2004,17(4):40-42.

[2]阴家龙.电子产品组装中的静电防护[J].现代电子技术,2004,21:97-99.

[3]吴忠甫.静电的产生、危害及应用[J].中学实验教学,1999,9(5):3-4.

[4]林金堵.静电的产生危害及预防[J].印制电路信息,2005,4:3-4.

[5]林金堵.静电的产生危害及预防[J].印制电路信息,2005,4:3-4.

[6]欣欣.人身上的静电哪里来[J].生活百事,2005:46.

[责任编辑张灿邦]

The static electricity discussed shallowly

FAN Shi-min,LIU Guang-dong ,Li Jun
(School of Physics and Electronic Science,Fuyang Normal College,Fuyang Anhui 236041,China)

The static electricity is one kind of common natural phenomenon: On the one hand the static electricity phenomenon may benefit the humanity;On the other hand， the static electricity phenomenon may do harm to the humanity to a great extent.Therefore， it is extremely important for us to know the production and harm of the static electricity and dopt the effective measure elimination as well as the protection so as to turn the shortcoming into the advantage.

Static electricity;Electrostatic induction;Electric charge

O441.1

：A

：1008-9128（2014）05-0040-04

2014-02-26

安徽省高校自然科学一般adhh项目（KJ2012B137）；阜阳师范学院校级项目（No.2011FSKJ12）；阜阳师范学院校级（No.2011FSKJOIZD）；阜阳师范学院科技成果孵化项目（2011kjfh03）；阜阳师范学院重点项目（2012JYXM39）

范士民（1957-），男，安徽阜阳人，实验师，研究方向：大学物理实验研究。