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什么是静电

2022-09-12 12:31百科26

前段时间有个网友在后台留言说想了解一下静电,正巧的是,小编前几天爬楼梯的时候,手指无意中触碰了一下扶手,然后竟然被电了!电了!了!好气啊,夏天竟然被电了,作为一个凡事都要研究一下的小编,自然不会放过这个现象,一定要找出被电的缘由。趁着这个机会,小编就应网友要求来聊一下静电,并告诉你小编究竟为什么会被电。

怒发冲冠(假装有帽子)

啥是静电?

Definition of static electricity

静电是电荷在物质系统中的不平衡分布产生的现象[1]。物质系统中的不平衡分布,嗯~~~,这句话有点专业,简单地说就是物体中的正负电荷不相等,使得物体荷电。静电之所以被称之为静电,是因为物体带电后,电荷会保持在物体上,除非通过放电的方式将电荷移走。

静电的产生方法主要有两种,分别是摩擦起电感应起电

电子逸出功(忘了逸出功是啥的小可爱回去翻翻课本)不同的两种物体摩擦时,因为逸出功小的材料对电子的束缚更弱,所以它的电子容易流向另外一个物体,这样就使得电子逸出功小的材料带正电,电子逸出功大的材料带负电[1]。这就是摩擦起电。

正负电荷的命名就和摩擦起电有关。那位100美元钞票上的政治科学两开花的本杰明·富兰克林将丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫正电荷,皮毛摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫负电荷

本杰明·富兰克林(图片来源:Wikipedia)

带电物体靠近导体的时候,在电场作用下,导体两端聚集符号相反的电荷,如果将导体一端的电荷引入大地,那么导体就会带电,这属于感应起电。

感应起电示意图(来源:vivaxsolutions.com)

我们都知道,带电物体往往具有吸引轻小物体的性质,比如和头发摩擦过后的塑料笔杆能吸附小纸屑。这是由于带电物体靠近时,轻小物体会感应起电,从而带上和带电物体异号的电荷而被吸引。

夏季的雷击事件则与这两种起电方式都有关。

目前普遍认为,雷电是强对流天气下,云中的小水滴和冰晶摩擦、碰撞,使得云层顶部带正电荷,云层底部带负电荷,进而云层之间放电的现象[2]

图片来源:NOAA

云层底部带负电,会使大地表面感应出正电荷,云层底部和大地构成一个电容器。当空气被击穿,云层底部的负电荷和大地带的正电荷中和就是雷击了。

静电有用吗?

Of course

范德格拉夫起电机

范德格拉夫起电机在科技馆中经常可以见到,让人产生刺猬头的那个大圆球装置。

听这个装置的名字就知道,范特格拉夫起电机来历不凡,实际上人家是用来做加速器的。范德格拉夫在1931年左右制造了一台静电加速器用于核物理实验,因为范德格拉夫静电加速器最大可以产生5MV的电压,足以用来加速带电粒子。后来有了更好的加速器,比如回旋加速器,范德格拉夫静电加速器就用来教学了[3]

范特格拉夫起电机的原理其实很简单,电刷A与几万伏的电源相连,因为尖端放电,让皮带荷正电,然后通过滚轴的运动让皮带携带正电荷到电刷B,使得和电刷B相连的球壳带正电(因为电荷不会在球体内部,而是会集中在外部)。球壳产生的电场就可以用来加速内部离子源产生的离子了。

范特格拉夫起电机原理图(图片来源:UNCW)

静电复印

静电复印听名字就知道用上了静电。

复印机最重要部件是硒鼓(也叫感光鼓),硒鼓的基体是铝,表面是硒,硒有个光敏特性,在黑暗下是绝缘体,在光照下是导体[4]

在黑暗中让硒鼓表面的硒带负电,而铝基体感应出正电。用光扫描需要复印的内容,没有字迹的地方光可以透过,让硒成为导体,这块区域的硒和铝基体的电荷中和,就成了中性的,而有字迹的地方光就无法透过,硒依然带负电。这样在硒鼓上就有一个由电荷形成的影像,叫潜影。硒鼓带负电的区域吸附带正电的碳粉,再将碳粉转移到带负电荷的复印纸上。复印纸和碳粉只是静电吸引,接触还不牢固,需要烘烤纸张让碳粉固定在纸张上,这也就是为什么刚打印出来的纸很烫手。

复印机原理(图片来源:Wikipedia)

不同的品牌碳粉所带的电荷不同,相应的,硒鼓所带的电荷也会不同,并不是所有厂商生产的墨粉都是带正电的。

激光打印机也是类似的原理,不同之处是直接用激光照射硒鼓得到潜影

激光打印机原理(图片来源:UNCW)

静电除尘

让细颗粒物先通过带正电的滤网,荷上正电,再经过带负电的滤网,因为静电吸引,细颗粒物就能被带负电的滤网捕获了[3]。从而起到除尘净化空气的作用。

静电除尘原理(图片来源:UNCW)

静电上漆

让油漆和物件带不同的电荷,因为有电场的存在,油漆颗粒会在电场力的作用下向物件运动,油漆利用效率更高(油漆颗粒受到的电场力是重力的75倍,也就是说油漆颗粒被电场约束了,不容易乱跑),喷涂更均匀[5]

同样条件下,荷电与不荷电的喷漆结果(图片来源:Youtube)

静电也烦人

Annoying

静电中和所释放的能量比较小,比如干燥的冬季人体触碰金属物体所释放的能量远不足1J,但是电压却在上万伏,这足以造成不小的危害。

比如很多电子设备就对静电很敏感,因为电子设备中电路的集成度很高,使得线路面积很小,耐压能力差,很容易被静电击穿。所以在电子产品线上的工人都会有全套装备来防护,地板上也有导电涂料。平时购买的线路板之类的外面也会有防静电包装。

防静电用品(来源:xzcgp.com)

静电会释放火花,易燃易爆物附近除了要严防烟火,也要小心静电。比如自助加油站上都会有下面的那个提示,就是为了防止静电引燃了挥发出来的汽油。油罐车尾部都会拖着条铁链,也是为了接地,及时将电荷传导出去,避免引燃油料,毕竟长途运输油料和罐体不断摩擦,会有源源不断的电荷产生。粉尘很大的区域也需要防静电,比如面粉厂,虽然平时要将面粉点燃挺困难的,但是当它弥散在空气中时,与空气接触面积大,非常容易点燃。

静电释放器(图片来源:pioneerwe.com)

怎样才能避免被电

The method

虽然静电能量低,但被电一下实在是不好受,尤其是在冬天,一天要被电很多次,电的多了,遇见铁门和栏杆都有阴影了。(感同身受的小伙伴请让我看到你的双手)

前面已经提过静电的产生原因了,那么如何减少被电的次数也有了理论依据。

人体所带的静电是由于人体与衣物、衣物与衣物之间相互摩擦所产生的,也就是摩擦生电。只要人在运动,那就不可避免地会带上静电,所以阻止静电产生的这一条路是不可行的。既然无法阻止静电的产生,那就只好减少人体的电量,也就是要及时地把静电传导走。

所以,最有效的办法是用空气加湿器增大空气湿度提高空气的导电性,这样人体的电荷就能被及时导走,减少累积。这也是为什么在南方就不容易被电的原因。除了这个办法,上文提到的车间里的静电手环也可以试试,就是有个缺点——活动不太方便。

尽管有这些导走电荷的方法,但有时难免还是会被电,这时就要思考下怎样减弱被电的感觉。

静电释放时能量比较低,但是感觉很明显。这时因为手指接触金属时,放电的区域特别小,就像是尖端放电,使得那一小块皮肤感觉有感觉。所以要尽量增大和金属的接触面积,比如用手先捏住自己身上的钥匙(身上的钥匙和自己的电位相同),再用钥匙尖去触碰铁门、栏杆之类的,这样就可以减弱电击的感觉。因为手指捏住钥匙之后,手和金属的接触面积增大了,增大了皮肤导电的区域,而尖端放电的重任则由钥匙尖代劳了[6]。如果一时间没找到钥匙,可以试着用手背接触铁门,这样也可以增大接触面积。

至于开头提到的小编夏天被电了,其实原因很简单:空气干燥才容易被电,那说明盛夏已过,秋天将至。这也提醒我们,快要开学啦!

参考资料:

[1]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%99%E7%94%B5

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning

[3]https://uncw.instructure.com/courses/17048/modules/items/158524

[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%8D%E5%8D%B0%E6%9C%BA

[5]https://www.youtube.com/watch?v=LAEGkaqKZhQ

[6]https://www.zhihu.com/question/19584885

编辑:重光

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