楊洪濤 冀文慧 呼和滿(mǎn)都拉

(集寧師范學(xué)院物理系,內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

關(guān)于靜電效應(yīng)及其應(yīng)用的研究

楊洪濤 冀文慧 呼和滿(mǎn)都拉

(集寧師范學(xué)院物理系,內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

本論文從基礎(chǔ)的靜電原理談起,針對(duì)其物理中的相關(guān)理論和應(yīng)用做了分析比較,同時(shí)對(duì)靜電效應(yīng)在社會(huì)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用和危害防治做了概括總結(jié)。

靜電 靜電效應(yīng) 靜電應(yīng)用

靜電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今,科學(xué)家對(duì)它的研究從未停止,從對(duì)靜電屏蔽的簡(jiǎn)單應(yīng)用、壓電效應(yīng)中的靜電感應(yīng)應(yīng)用,到現(xiàn)代的靜電發(fā)電、靜電集塵等新技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用等等,伴隨著靜電新技術(shù)的開(kāi)發(fā)使用,靜電帶來(lái)的各類(lèi)危害也日益增多,特別是在電子工程中的影響尤其突出,靜電一直與我們大家的生活息息相關(guān)。所以靜電效應(yīng)的綜合防治與有效利用,也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

1 靜電效應(yīng)基本原理簡(jiǎn)介

談及靜電效應(yīng),首先就應(yīng)該了解靜電感應(yīng),靜電感應(yīng)是一種起電方法,如圖1:一對(duì)由玻璃棒支撐的導(dǎo)體A與B接觸且不帶電,導(dǎo)體C帶正電,當(dāng)它們相互靠近時(shí),會(huì)出現(xiàn)A、B帶電的現(xiàn)象,導(dǎo)體A帶負(fù)電,導(dǎo)體B帶正電。

靜電效應(yīng)描述的是一種現(xiàn)象:當(dāng)帶電物體靠近絕緣導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶相反電性的電荷,遠(yuǎn)離帶電體的一端帶相同電荷的現(xiàn)象。

靜電效應(yīng)的基本原理:當(dāng)導(dǎo)體A、B接觸時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子沒(méi)有受到外電場(chǎng)E0的作用,從而均勻分布,當(dāng)C靠近A、B時(shí),帶電體C會(huì)產(chǎn)生附加電場(chǎng)E1,對(duì)于放入此電場(chǎng)中的導(dǎo)體,其內(nèi)部的電荷會(huì)發(fā)生定向移動(dòng),其結(jié)果是指示導(dǎo)體的兩端出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷[1]。

2 在導(dǎo)體及壓電效應(yīng)中的靜電感應(yīng)原理

2.1 導(dǎo)體中的靜電感應(yīng)原理

如果在導(dǎo)體周?chē)?存在外電場(chǎng)E,其內(nèi)的自由電子將會(huì)受到電場(chǎng)E的影響,電荷排列重新分布,自由電荷的新的分布方式會(huì)引起一個(gè)電場(chǎng),其電場(chǎng)方向與E的方向相反,設(shè)新電場(chǎng)的強(qiáng)度為E內(nèi)。導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度等于E外和E內(nèi)的疊加,等大反向的電場(chǎng)因疊加而互相抵消,使得導(dǎo)體內(nèi)部的總電場(chǎng)強(qiáng)度為零,導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將不再定向移動(dòng)。在靜電學(xué)中導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有電荷定向移動(dòng)的狀態(tài)即稱(chēng)為靜電平衡。處于此狀態(tài)下的導(dǎo)體,自由電荷分布在導(dǎo)體的外表面上。若處于電場(chǎng)中的導(dǎo)體是中空的,那么達(dá)到靜電平衡時(shí),其內(nèi)部也將沒(méi)有電場(chǎng)。這樣,導(dǎo)體的外殼像一層保護(hù)膜一樣,對(duì)其內(nèi)部加以保護(hù),使外部電場(chǎng)不會(huì)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生影響,這就是靜電屏蔽現(xiàn)象[2]。如圖2所示。

圖1 (靜電感應(yīng)原理圖)

圖2 (靜電屏蔽過(guò)程圖)

圖3 (同心導(dǎo)體球殼表面電荷分布)

2.2 壓電效應(yīng)中的靜電感應(yīng)原理

2.2.1 壓電效應(yīng)簡(jiǎn)述

電介質(zhì)在受到外力的作用時(shí)會(huì)發(fā)生形變,而某些電介質(zhì)在形變的同時(shí)其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)極化(取向極化)現(xiàn)象。形成一種類(lèi)似導(dǎo)體靜電屏蔽的狀態(tài),當(dāng)把外力撤去后,電介質(zhì)又將變成不帶電的狀態(tài),這種神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象即為壓電效應(yīng),也稱(chēng)作正壓電效應(yīng)。

當(dāng)電介質(zhì)在受到用力作用而產(chǎn)生壓電效應(yīng)時(shí),如果將作用力的方向改變,那么電介質(zhì)的外顯電性也將改變。反之,如果在電介質(zhì)的極化方向上有外加電場(chǎng),那么電介質(zhì)亦發(fā)生形變,電場(chǎng)被撤掉后,電介質(zhì)將會(huì)恢復(fù)原貌[3]。

2.2.2 靜電能的新技術(shù)應(yīng)用

隨著壓電技術(shù)在理論上的日臻成熟,在實(shí)際應(yīng)用方面也取得了很大進(jìn)步,海浪壓電發(fā)電技術(shù)就是一種已經(jīng)很成熟的發(fā)電技術(shù),科學(xué)家將壓電聚合物合成器浸沒(méi)在深水海域,用錨鏈將其與海面上的浮體相連,浮體會(huì)隨著海浪的沖擊而激烈浮動(dòng),使壓電聚合物受到周期性作用力,由此產(chǎn)生電能。再通過(guò)儲(chǔ)電技術(shù)將電能傳送出來(lái)。相類(lèi)似的,科學(xué)家們將壓電裝置植入手機(jī)的話(huà)筒內(nèi),這樣人們?cè)谥v話(huà)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生微電能,這些電能又會(huì)為手機(jī)進(jìn)行充電,如此就能讓手機(jī)處在不斷電的狀態(tài),對(duì)此類(lèi)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)在能源的可持續(xù)利用上具有重要意義。北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料與納米技術(shù)系的研究小組,利用了氧化鋅納米線(xiàn)發(fā)明了納米級(jí)的發(fā)電機(jī),可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,其發(fā)電效率可達(dá)到17%至30%之間,這為研究自發(fā)電納米原件奠定了理論基礎(chǔ)[4]。

3 靜電效應(yīng)的傳統(tǒng)性危害

3.1 靜電災(zāi)害

此類(lèi)災(zāi)害多指由靜電引發(fā)的大火或爆炸事故,其爆發(fā)具有突發(fā)性,往往會(huì)造成巨大損失。在漆黑的夜晚,我們脫毛料衣服時(shí),會(huì)有明亮的火花產(chǎn)生同時(shí)伴有“叭叭”的響聲,這也屬于靜電放電,不過(guò)這不會(huì)對(duì)我們的身體造成傷害?？墒窃卺t(yī)院中,由于操作失誤而引發(fā)放電火花,可以導(dǎo)致醫(yī)用麻醉劑發(fā)生爆炸,給正在手術(shù)的患者和醫(yī)務(wù)人員的安全帶來(lái)威脅;在煤礦采礦作業(yè)中,更是會(huì)引起大面積的瓦斯爆炸,致使工人死傷、礦井報(bào)廢。

3.2 靜電障害

人們把靜電給人類(lèi)的生活帶來(lái)的麻煩與障礙稱(chēng)為靜電障害,雖然它不具有突然爆發(fā)性,但它同樣會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重的危害,尤其是在電子行業(yè),要求儀器的精良縝密,靜電會(huì)引起電子元件失靈甚至報(bào)廢。例如,在飛機(jī)飛行的過(guò)程中由于摩擦而帶電,如果放任不管,將會(huì)干擾飛機(jī)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的正常工作,給飛機(jī)的安全帶來(lái)隱患,飛機(jī)上靠窗的乘客可以看到,飛機(jī)的側(cè)翼尖裝有防靜電的放電刷,為了保護(hù)乘客飛機(jī)著陸時(shí)的安全,在起落架上會(huì)安裝有接地線(xiàn),以便將飛機(jī)在空中產(chǎn)生的靜電荷釋放掉。在印刷廠(chǎng)里,紙頁(yè)摩擦產(chǎn)生的靜電會(huì)使紙頁(yè)粘合,給印刷和裁剪工作帶來(lái)影響;在制藥廠(chǎng)里,塵埃顆粒較多,這些顆粒會(huì)受到的吸引,導(dǎo)致藥品無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)純度,降低合格率;顯像管電視機(jī)在使用時(shí),熒屏表面的靜電吸附空氣中的灰塵,在屏幕上會(huì)出現(xiàn)薄薄的一層塵埃膜,引起圖像的清晰度和亮度的降低[5]。

4 靜電效應(yīng)在現(xiàn)代電子工程中所產(chǎn)生的影響

20世紀(jì)是各行各業(yè)飛速發(fā)展的年代,人們開(kāi)始把靜電學(xué)的重點(diǎn)從研究實(shí)驗(yàn)階段向靜電技術(shù)的革新應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。同時(shí)靜電也給工業(yè)生產(chǎn)帶去了障礙和危害。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,高分子納米材料、微電子技術(shù)的普及應(yīng)用,靜電引起的危害更是引起了人們的重視。

靜電危害及其防護(hù)是防護(hù)工程學(xué)的研究重點(diǎn),其理論研究涉及廣泛,與近代電測(cè)技術(shù)、材料科學(xué)、氣體放電理論等多學(xué)科都有普遍聯(lián)系。靜電是一種能源,不過(guò)辯證法說(shuō)物質(zhì)具有兩面性,在它帶給我們方便的同時(shí),由靜電所引起的麻煩與不便,也時(shí)刻困擾著我們。在冬季寒冷的北方,人們時(shí)常會(huì)因?yàn)榻佑|金屬門(mén)把,引起人體靜電放電,很多時(shí)候這不會(huì)對(duì)人造成危害,不過(guò)對(duì)帶有電子器材(例如:心臟起搏器等)的人是十分危險(xiǎn)的,有可能引起效用失靈。在實(shí)驗(yàn)室里,靜電作用可能會(huì)降低精密實(shí)驗(yàn)器材的靈敏度,給實(shí)驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)不必要的誤差影響。現(xiàn)代工業(yè)中對(duì)高分子材料的使用日漸增多,由此帶來(lái)的靜電危害問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重。某些高分子材料制品的迅速更新?lián)Q代以及高度自動(dòng)化的生產(chǎn)方式,都是靜電能高度累積的原因。除此之外靜電敏感材料(如:輕質(zhì)油品、固態(tài)電子器件等)的使用,也給了靜電許多可乘之機(jī),在相關(guān)領(lǐng)域造成了很?chē)?yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)的損失。靜電放電會(huì)使得火箭和導(dǎo)彈發(fā)射失敗或者自毀;也可破壞電子器件的使用壽命和安全,每年由此引起的損失就可高達(dá)上百億美元;在太空飛行器中它破壞許多關(guān)鍵部件(粒子照相機(jī)、太陽(yáng)能電池組等)的正常使用,大大縮短其使用壽命,給太空飛行器的正常運(yùn)行帶來(lái)麻煩,還會(huì)干擾各類(lèi)航天飛行器與地面之間的信號(hào)聯(lián)系,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成航天器失控[5]。

5 靜電效應(yīng)的應(yīng)用

靜電效應(yīng)在基礎(chǔ)物理中有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ),特別是在處理復(fù)雜電場(chǎng)、同心球體等類(lèi)型題中有著很好的效果,除此之外,其在生產(chǎn)生活中更是有著非常廣闊的效用空間。

5.1 靜電效應(yīng)在基礎(chǔ)物理中的應(yīng)用

5.1.1 用唯一性定理解釋靜電屏蔽效應(yīng)

唯一性定理指出:邊界條件可以將空間里電場(chǎng)的恒定分布唯一確定下來(lái)?，F(xiàn)給出簡(jiǎn)單證明如下:

給定M個(gè)導(dǎo)體,第k (M＞k)個(gè)導(dǎo)體上的總電量:QK

取一任意形狀的閉合金屬殼接地。第一種情況:現(xiàn)從外面移過(guò)來(lái)若干正或負(fù)的帶電體。若腔內(nèi)無(wú)帶電體,則其中E=0。第二種情況:將帶電體放進(jìn)腔內(nèi),而殼外無(wú)帶電體,則外部空間E=0。今設(shè)想將兩種情況合并,分析此時(shí)殼內(nèi)外電場(chǎng)分布是否仍和一、二兩種情況相同？

首先,討論第一種情況,由于導(dǎo)體殼的靜電屏蔽作用,它在腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零,此時(shí)腔內(nèi)的環(huán)境和情況二相同,所以,可以產(chǎn)生預(yù)制相同的恒定分布。其次,當(dāng)內(nèi)部電場(chǎng)分布如情況二時(shí),它在殼外產(chǎn)生電場(chǎng),所以殼外帶電體所處的環(huán)境和情況一相同,即可以產(chǎn)生相同的恒定分布。這說(shuō)明殼內(nèi)、外帶電體同時(shí)存在時(shí),若殼內(nèi)、外的電荷和電場(chǎng)分別維持情況一和情況二相同的分布,是可以達(dá)到靜電平衡的。由唯一性定理可知,兩種情況的中的內(nèi)部空間邊界條件相同,從而不管外部是否帶電荷,內(nèi)部的穩(wěn)定分布是唯一的,這便是殼對(duì)內(nèi)部的靜電屏蔽效應(yīng)。

5.1.2 靜電效應(yīng)在處理物理習(xí)題中的應(yīng)用

由導(dǎo)體的靜電平衡條件出發(fā),可以的到幾個(gè)相關(guān)結(jié)論:

(1)導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體,導(dǎo)體表面是等勢(shì)面。

(2)導(dǎo)體以外靠近其表面的地方場(chǎng)強(qiáng)處處與其表面垂直。

例:金屬球M被一同心的金屬球N包圍,分別給M、N兩個(gè)導(dǎo)體以電量+6cμ和+10cμ,問(wèn)N球殼的外表面帶電多少？如圖3所示。

我們可設(shè)想不讓N球殼帶有電荷,由于其內(nèi)表面受到M球殼的靜電感應(yīng)必定要出現(xiàn)-6cμ的電量,由電荷守恒定律可知,在它的外表面必定會(huì)出現(xiàn)+6cμ的電量。由于內(nèi)球M帶正電,所以-6cμ的電量被吸引到了N球的表面,而多余的那+6cμ的電量將被排斥到外表面。這樣外表面就會(huì)帶+6cμ的電量,當(dāng)再給球殼N以+10cμ的電量時(shí),這些電荷將均勻分布在外表面上,最后使N殼的外表面共獲得+16cμ的電量。

5.2 靜電效應(yīng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

5.2.1 靜電集塵及噴涂

在某些特定工作區(qū)域(如礦場(chǎng)、生產(chǎn)車(chē)間)中空氣漂浮物的含量很高,這會(huì)威脅到生產(chǎn)安全,靜電集塵就是很好的除塵方式,樓層辦公間及工廠(chǎng)車(chē)間中存在很多空氣顆粒塵埃,它們?cè)谕ㄟ^(guò)高壓電場(chǎng)時(shí),由于陰極不斷放電、混合氣體被電離成氣體離子,帶負(fù)電的離子向陽(yáng)板運(yùn)動(dòng),在這一過(guò)程中會(huì)與粉塵顆粒相碰,導(dǎo)致塵粒荷帶負(fù)電,在電場(chǎng)力的作用下使其向著陽(yáng)極運(yùn)動(dòng),它們?cè)陉?yáng)極放出電子并留在陽(yáng)極板上。對(duì)于家庭用小型集塵器,為了減少由靜電效應(yīng)產(chǎn)生的臭氧給人們的身心健康帶來(lái)威脅,通常采用正電暈放電的方式。根據(jù)社會(huì)發(fā)展需求,高性能,經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電氣集塵器技術(shù)得到不斷地發(fā)展應(yīng)用。

靜電噴涂是在電氣集塵原理上的一種開(kāi)發(fā)應(yīng)用。這種技術(shù)首先是將涂料微?；?然后讓其帶有負(fù)電荷,被涂裝的金屬器件與大地相連,從噴嘴噴出的涂料粒子會(huì)沿著強(qiáng)電場(chǎng)的電力線(xiàn)移動(dòng),使涂料穩(wěn)固的吸附在器件表面。靜電涂料可有效減少資源的浪費(fèi),比傳統(tǒng)操作相比,其噴涂效果有明顯提高,靜電噴涂還可以進(jìn)行流水作業(yè),大大提高生產(chǎn)效率。在家電電器、汽車(chē)以及各種類(lèi)的電動(dòng)機(jī)等的噴涂方面有廣闊的應(yīng)用空間。

5.2.2 靜電攝影

靜電攝影就是應(yīng)用靜電技術(shù)來(lái)記錄靜態(tài)圖像,有很多操作手段,這里將其原理做簡(jiǎn)單介紹。將鍍有硒膜的硒鼓板置于暗室,采用電暈放電的方式使其帶電,然后將其完全曝光,能被光照射到硒膜會(huì)失去正電荷帶上負(fù)電,之后再將帶負(fù)電的著色劑均勻涂撒在膜上,著色劑由于硒膜上帶正電的部分的吸引而牢牢吸附其上,在上面貼上帶有正電荷的紙,復(fù)制著色劑形成的圖案,經(jīng)過(guò)加熱定影就可以了,非常方便快捷,這類(lèi)技術(shù)在復(fù)印機(jī)中被廣泛采用。

5.2.3 靜電選別

在金屬板上放有混合粒子,利用放電技術(shù)使整個(gè)金屬板帶電。將金屬板傾斜,導(dǎo)電性好的粒子失去的電子多,與金屬板間的吸附力會(huì)降低,將會(huì)從金屬板上不斷滑落,而那些導(dǎo)電性弱的粒子就會(huì)停留在金屬板上,通過(guò)這種技術(shù)即可進(jìn)行不同粒子的篩選,其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,是可以針對(duì)不同土質(zhì)選取與之適應(yīng)的良種。在礦石開(kāi)采中,可以用來(lái)選別不同種類(lèi)的礦石。還可以應(yīng)用于食品加工,去除異物雜質(zhì)提高品質(zhì)等[6]。

5.2.4 靜電殺菌

在實(shí)驗(yàn)室中,用漏泄試驗(yàn)變壓器(輸出負(fù)高電壓,電壓范圍在0～60kv,電流0～2．5mA)可以產(chǎn)生高壓靜電,有靜電放電產(chǎn)生臭氧,當(dāng)臭氧達(dá)到一定濃度時(shí),可以對(duì)霉菌等細(xì)菌的生長(zhǎng)起到很好的抑制效果(臭氧是強(qiáng)氧化劑,它以氧原子的氧化作用破壞微生物膜的結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)殺菌作用)。這在食品工程中有著廣泛的應(yīng)用[7]

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)靜電效應(yīng)基本原理及其傳統(tǒng)性危害做了詳細(xì)介紹,總結(jié)了其在電子工程中所產(chǎn)生的影響,而且對(duì)靜電綜合防治和實(shí)際應(yīng)用做了對(duì)比。通過(guò)對(duì)已知知識(shí)的梳理和對(duì)課外知識(shí)的拓展,可以讓讀者更深刻的理解靜電效應(yīng)。

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