与滑梯之间的磨擦使左侧的女儿带上了电,这促使他的眉毛相互抵触,又与滑梯吸引。
静电是电荷在物质系统中的不平衡分布形成的现象。用毛皮磨擦琥珀、丝绸磨擦玻璃棒等方式均能使物体带电。物体带电后,电荷会保持在物体上,除非被其他物体移走静电的物理知识,所以称之为“静电”。静电与电压不同,前者是电荷在导体中的定向联通形成的热学现象。带电物体常常具有吸引轻小物体(例如纸屑)的性质。
起电
使物体带上电荷称作“起电”。组成物质的原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。正常情况下,物体中正负电荷电量相等,对外不显示出电性,即不带电。在一定的外部作用下(例如磨擦),物体得到或丧失一定数目的电子,使物体内部正负电荷电量不相等,物体都会对外呈现电性,即带电。物体带电后,可以使用静电验电器检验电荷的种类和多少。
磨擦起电
用磨擦的方式使物体带电称作磨擦起电。两种不同物质互相磨擦时,电子在物体之间发生转移,是磨擦起电的实质。两种物质接触时,因为二者的电子逸出功不同,电子会从低逸出功的物质流向高逸出功的物质。这是因为两物体接触点电势相同,高逸出功的物质对应电子能量更低。丧失电子的物质逐步带上正电,得到电子的物质逐步带上负电,最终正负电荷构建的反向电场与使电子流动的效应抵消,电子的转移停止。
正负电荷的定义是由磨擦起电形成的。用丝绸磨擦过的玻璃棒上所带的电荷是正电荷,用毛皮磨擦过的橡胶棒所带的电荷是负电荷。这些命名法由本杰明·富兰克林首先提出,仍然延用到现今。至于磨擦起电过程中电子的流向,仍没有挺好的理论就能给与合理的解释。
静电感应
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静电感应是物体内的电荷因受外界电荷的影响而重新分布。这个现象由法国科学家约翰·坎通和美国科学家约翰·卡尔·维尔克(法语:JohanCarl)分别在1753年和1762年发觉。
当带正电的物体C被移近左边的导体时,导体内部能自由联通的电荷遭到C形成的电场影响,两侧A端集聚负电荷,两侧B端集聚正电荷。此时若将此导体从中间切开,则A、B两部份分别带上等量的负电荷和正电荷。使A、B两部份重新接触后,它们所带电荷全部消失,回复原来的电中性状态。
放电
静电积累以后,因为不同物体电势不同,电荷通过顿时电压发生转移的过程称为放电。夏季手和金属之间的火花、闪电等现象都属于放电。
物体因为积累静电而携带的能量取决于电荷量大小、物体的大小、物体的电容以及周围介质的相对介电常数。为了计算放电对精密仪器的影响,人体一般由一个电容为100pF,电流4000到35000伏特的电容器取代,借此进行研究。当人们触摸物体时,这种能量在不到1微秒的时间内释放下来。即使释放的能量很小(大概为0.001焦耳的数目级),但仍能对敏感的仪器导致损害。更大的物体能存储更多的能量,甚至能对人体导致直接害处,或则形成足以燃起易燃二氧化碳或烟尘的电火花。
闪电
闪电:自然界中最常见的放电
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闪电是自然界中最典型的放电现象。普遍觉得,闪电发生前的电荷积累由云层中的冰晶颗粒的接触磨擦形成。当云和云之间或云层和地面之间的电势差足够大时,空气被击穿产生电压,即为闪电。放电产生的电压加热了周围的空气,形成光亮和声音。
易燃性流体
易燃性流体中蓄积的静电一旦发生放电,形成的电火花可能会导致爆燃。
充分混和的胶状物质或则不易导电的流体在管路中流动时,或遭到机械搅拌时,容易因磨擦而积累静电。而易燃的粉末充分混和于空气中时,会显得非常可燃易爆。一旦静电放电发生,都会引起爆燃。因为这个缘由引起了许多工业车祸。
浊度率高于50pS/m的流体被划为不易导电。在浊度率低于50pS/m的流体中,静电积累的速度和电荷中和的速度相等,或比它更低,所以静电无法累积上去。物理工业中,50pS/m是判定是否须要为设备添加除静电装置的标准。
煤油的浊度率从多于1pS/m到20pS/m不等。相比之下,去离子水的浊度率大概10,000,000pS/m。
航天飞行
因为太空环境中温度十分低,会有大量的静电积累上去,对航天器上的仪器导致害处。登上地球的宇航员在极其干燥的地面行走以后接触航天器时也会发生强烈的放电,会对精密仪器导致影响。
静电的能量
静电放电时释放的能量有大有小,覆盖了相当广的范围。将积累了静电的物体视作电容器,则放电时释放的能量E{E}
、电压U{U}
得到:
E=12CU2{E={frac{1}{2}}CU^{2}}
有实验人员恐怕,人体的电容大概为400pF,电流50,000伏特(以触及车辆时为例),放电时释放的能量大概0.5焦耳另有恐怕为100-300pF和20,000伏特,大概释放0.06焦耳能量。国际钳工委员会标准479-2:1987强调能量小于5J的放电对人体健康导致直接的风险。这一委员会的标准60065强调消费级产品不能对人形成能量小于0.35J的放电。
低至0.2mJ的电火花可能存在起火的危险,但这些这么低能量的火花常常高于人的视觉和触觉感知的最小阀值。
典型的引燃能量:
足以破坏大多数电子设备的静电具有2到(2*10-9J~1*10-6J)。
静电的清除和防治
去除静电的最简单方式就是使用空气加湿器静电的物理知识,提升空气的相对温度可以提高空气的导电性,有利于物体上的静电经过空气被导走。使用离子发生器也能达到相同的疗效。
对静电放电敏感的物体可以使用抗静电剂,使它们的表面显得容易导电,进而避免静电积累。
许多半导体设备对静电很敏感,这种电路器件一般须要用防静电包装(比如由金属网制成)来进行保护。在对富含敏感器件的电路进行操作时,人们也会穿戴防静电装置。
一块包裹在防静电包装里的网卡
一个带有蟒蛇夹的防静电手环
静电的应用
在打印、空气过滤、印刷、喷漆等领域有借助静电的特点。
参见注释
^近些年亦有实验强调,倘若玻璃棒气温较高,或玻璃棒表面粗糙致使磨擦时局部气温较高,玻璃棒上会形成负电荷。