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简述静电的产生
作者:段进成    发布于:2014-04-26 16:35:30    文字:【】【】【
摘要:通常物体保持电中性状态,这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移,使之存在过剩电荷,这样就产生了静电。带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差,称之为静电势。 静电产生的方式有很多,如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等,但主要是两种形式,即摩擦产生静电和感应产生静电,如图1.1所示。前者是两种物体直接接触后形成的,通常发生于绝缘体与绝缘体之间或者绝缘体与导体之间;后者则发生于带电物体与导体之间,两种物体无需直接接触

静电的产生
通常物体保持电中性状态,这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移,使之存在过剩电荷,这样就产生了静电。带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差,称之为静电势。
静电产生的方式有很多,如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等,但主要是两种形式,即摩擦产生静电和感应产生静电,如图1.1所示。前者是两种物体直接接触后形成的,通常发生于绝缘体与绝缘体之间或者绝缘体与导体之间;后者则发生于带电物体与导体之间,两种物体无需直接接触。

摩擦产生静电

当两种具有不同的电子化学势或费米能级的材料相互接触时,电子将从化学势高的材料向化学势低的材料转移。当接触后又快速分离时,总有一部分转移出来的电子来不及返回到它们原来所在的材料,从而使化学势低的材料因电子过剩而带负电,化学势高的材料因电子不足而带正电。对绝缘体而言,由于电子不易移动,过剩电荷将在接触表面附近累积。显然,这种方式产生的静电荷与相互接触的两个物体分离的速度有关。

实际上,只要两种不同的物体接触再分离就会有静电产生。但由于摩擦产生的热能为电子转移提供了足够的能量,因此使静电产生作用大大增强。当两种物体相互摩擦的时候,接触和分离几乎同时进行,是一个不断接触又不断分离的过程。分离速度快、接触面积大,使得摩擦所产生的静电荷比固定接触后再分离所产生的静电荷的数量要大得多。摩擦生电主要发生在绝缘体之间,因为绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面,或迅速传给它所接触的物体,所以能产生相当高的静电势。表1是常见物体带电顺序表,从带正电依次排列到带负电,其中任何两种物体摩擦时,可以按此表来判断它们带电的极性,还可以大致估计所带电荷的多寡程度。排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时,前者带正电,后者带负电。同种材料与不同材料相互摩擦时所带电荷的极性可能不同,如棉布与玻璃棍摩擦带负电,但与硅片摩擦时带正电。棉布与玻璃摩擦后所带电量大于它与尼龙摩擦所带电量。摩擦产生静电的大小除了与摩擦物体本身的材料性质有关之外,还要受到许多因素的影响,如环境的湿度、摩擦的面积、分离速度、接触压力、表面洁净度等。

静电产生的另一个重要来源是感应生电。当一个导体靠近带电体时,会受到该带电体形成的静电场的作用,在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷.远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零,但出现了局部带电区域。显然,非导体不能通过感应产生静电。

静电荷

静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。在科研院所、高等院校、检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。表示静电电荷量的多少用电量Q表示,其单位是库仑C,由于库仑的单位太大通常用微库或纳库
1库仑(C)=16微库(μC)
1微库(μC) =13纳库 (μC)

静电势

虽然静电电荷是表征静电的最直接的参量,但人们又常说静电电压几千伏或几万伏。其含义是什么呢?与那些因素有关?下面讨论这个问题。前面已经提到,带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差,这就称之为静电势,也叫静电电压。实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与大地之间的电位差。如果将大地作为零电位,静电带电体的静电电压显然有正负之别,通常说静电电压几千伏或几万伏是指其绝对值。静电带电体与另一个物体或大地之间的电位差与哪些因素有关呢?通常把静电带电体另一个物体或大地看成一个电容器。电容器的电容量C、电容器一个电极上的电荷量Q和电容器两个极间的电位差V之间有如下关系:
V= (1.1)

从式1.1可以知道,静电带电物体的电容对其静电势有显著影响。带电物体与另一个物体或地之间的静电电压与它们之间的电容量成反比,即电容量越小,静电电压越大。静电荷相同,静电势可能有数量级的差别。如将式1.1中的电容等效成平板电容器,其电容量C可表示为:
C= (1.2)

A为电容器面积、ε为两板之间物质的介电常数、d为两板之间的距离。将(1.2)带入(1.1)得:

V= (1.3)

从(1.3)式也可以了解与静电电压有关的各因素。

例:人体带静电,其静电电压与所带的电荷量Q和人脚与地面的距离d成正比,与两脚的面积A(如果人是站立的)和脚底面与地间的物质的介电常数ε成反比。

又例: 在桌面的聚乙烯袋的静电势为几百伏,当人将袋子提起离开桌面时,因它对地间距增大,电容减小,会使静电势增加到几千伏。

影响静电产生的因素静电的产生

静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子,形成弱导电的湿气薄层,提高了绝缘体的表面电导率,可将静电荷散逸到整个材料的表面,从而使静电势降低。所以,在相对湿度高的场合,如海洋性气候地区(如我国的东南沿海地区)或潮湿的梅雨季节,静电势较低。在相对湿度低的场合,如大陆性气候地区(如我国的北方地区)或干燥的冬季,静电势就高。与普通场所相比,在空气纯净的场所(如超净车间)内,因空气中的离子浓度低,所以静电更加容易产生。

表1.4是电子生产中产生的静电势的典型值。从中可以看到,同样的动作在不同的湿度下,产生的静电电压可以相差一个量级以上。

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