静电对策的基础知识

我们较为熟悉的静电产生原因可归结为2种现象:

  1. 物体摩擦(摩擦带电),
  2. 以及分离紧贴的物体(剥离带电),

但实际上,更加简单的现象就会产生静电。

〈接触带电〉

接触带电指的是因2件物体接近、接触,导致物体带上正电或负电的现象。

接触带电示意图

  • 接触带电示意图 物体接近
    物体接近
  • 接触带电示意图 物体接触
    物体接触
  • 接触带电示意图 分离
    分离

如上图所示,发生接触后,由于不同物体表面所带的能量存在差异,会导致电子(负)从其中一种物体表面的原子壳中跃出,呈现带正电的状态,跃出的电子(负)会进入另一物体内,使其带上负电。
这就是静电产生的原理。

通常情况下,静电都会在物体接触的瞬间产生(接触带电),摩擦导致的带电(摩擦带电),也可归为接触带电的一部分。但是,因摩擦导致带电(摩擦带电)时,接触面会因彼此摩擦而增加接触面积,或因摩擦致使物体表面温度升高等,其产生的带电量远高于常规接触带电的静电。

将接触状态下的物体剥离(分离)开来,例如撕开粘着胶带等时,会引发强带电现象。
这种现象与Q1中的“接触带电”相同,但由于是由剥离(分离)动作导致的带电,通常被称为“剥离带电”。
发生这种剥离带电现象时,粘合度越高,产生的静电越大。 剥离速度也会影响带电量的大小。(剥离的速度较慢时,会在持续发生小规模静电放电的同时产生静电,因此带电量较少;而剥离速度较快时,静电放电会被抑制,导致带电量增大)

静电同样属于电荷的一种,可分为+极静电和-极静电。
这两种静电所具备的的性质如下所示。

  • +极静电
    +极静电

    +极带电物

    电荷力会作用于从带电物中跃出的方向

  • -极静电
    -极静电

    -极带电物

    电荷力会作用于指向带电物的方向

同极性带电物体靠近时,物体之间会受到相斥力(斥力)的作用,不同极性带电物体靠近时,物体之间会受到吸引力(引力)的作用。
此时产生的电荷力被称为“库仑力”(单位:N),相应电荷量与力的关系,可通过“库仑定律”来表示。

作用于点电荷的库仑力
作用于点电荷的库仑力

金属体也会发生带电现象。
通常大家都以为金属体(导体)不会带电,但实际上,如下图所示,处于电气绝缘状态时,金属体其实也和绝缘体一样,会因摩擦及剥离等现象产生静电。

金属体(导体)的带电状况

  • ■ 接地时
    接地时

    接地时,虽然摩擦、剥离等动作会导致静电的产生,但此时的静电会经由接地线直接被消除。

  • ■ 未接地时
    未接地时

    未接地时,由于摩擦、剥离等动作产生的静电无法导走,所以会处于带电状态。

有研究称,人体能够感受到的静电,通常需要达到±3000 V(±3 kV)以上。
基恩士将对人体造成的冲击与电压之间的关系整理成了下表,供您参考。

对人体造成的冲击与电压的关系
人体的电击电位[kV] 电击的强度
1.0 无感觉
2.0 手指产生感觉,但无痛感
3.0 有针刺般的刺痛感
5.0 手掌及前臂有痛感
6.0 手指有强烈痛感,上臂沉重
7.0 手指及手掌有强烈痛感及麻痹感
8.0 手掌及前臂有麻痹感
9.0 手腕有强烈痛感,手感觉麻痹
10.0 整只手有痛感并感觉有电流通过
11.0 手指有强烈的麻痹感,整只手有强烈的电击感
12.0 整只手感觉遭受重击

摘自产业安全研究所发布的“静电安全指南”

带电序列
带电序列

2种物体接触或摩擦导致带电时,一方会带上+电,另一方则会带上-电。
这种情况下,物体(例如纸张等)并非永远只会带上某一种电,而是有时带+电,有时带-电。
而决定带电+/-的关键,并不是物体本身的材质,而是其与相接触(摩擦、剥离)物体构成的组合。
也就是说,即使是一种通常都带+电的物体,如果与更易带+电的物体接触(摩擦、剥离),将会带上-电。上述的带电极性,会因接触的对象而变,对这些倾向进行汇总梳理的资料,就是“带电序列”。

带电序列分不同物体的材质,按照易带+电还是易带-电进行了排序,根据接触物体的材质来进行查阅,就能以此为依据,大致判断带电情况。
此外,在带电序列中,两种材质的排序距离越远,产生的带电量通常会越大。(根据带电序列,同种材质接触不会导致带电,但实际情况下,同种材质接触同样也会带电。但是,比起带电序列中排序较远的情况,存在带电量较小的倾向)

查阅方法示例

  1. 摩擦玻璃与棉花时
    玻璃:带+电
    棉花:带-电
  2. 摩擦棉花与特氟隆时
    棉花:带+电
    特氟隆:带-电

电场是一种存在于带电物体周围的场,代表因带电物电荷而存在作用力影响的区域。
例如,在某个空间中存在带电物(电荷)时,电场会以该带电物为中心,呈球状扩大,距离中心越远,作用力的强度越小。
电场的强度则被称为“电场强度”。电场强度不仅代表作用力的大小,还具有方向性。
(对+极带电物而言,作用力的方向是从中心向外,而对于-极带电物,作用力的方向朝向中心)

电场示意图
电场示意图

点电荷造成的电场强度

在某个空间中存在点电荷Q[C],将作用于该电荷的力设为F[N]时,电场强度为

E=F/Q[V/m]

(电场单位[V/m],代表单位距离的电位差),

F=EQ[N]

则点电荷造成的电场强度可以表示为

E=Q/4πε0r2 ε0:真空诱导率、r:距离


由上述公式可以发现,源于点电荷Q[C]的电场强度,与电荷量成正比,与点电荷的距离[r]的平方成反比。

电力线是法拉第发明的,是一种图示电场分布的虚拟线条。

  1. 绘制电力线时,应从正电荷画向负电荷。

  2. 不会出现在没有电荷处中断,或有2条以上电力线相交的情况。

  3. 通过某个闭合曲线的电力线数量,与闭合曲线内侧所含的电荷量成正比。

这就是绘制电力线时的规则。
因此,电力线的密度会在弱电荷力作用处变稀疏,在强电荷力作用处变密集。

电力线的绘制示例

带正电荷的点电荷的电力线
带正电荷的点电荷的电力线
存在正负2个点电荷的电力线
存在正负2个点电荷的电力线
带电体(导体)的电力线
带电体(导体)的电力线
带电体附近存在导体时的电力线
带电体附近存在导体时的
电力线

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