静电概说

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(一)静电的发现

静电现象是电磁现象的一种，是人类很早就发现的一种物理现象。公元前600年前后的古希腊自然哲学家泰利斯，发现用琥珀摩擦能吸引细小物体，这种现象实际上就是静电现象。我国东汉时期的王充(公元27～97年)在他的《论衡》中也有静电现象的记载。特别是近几十年，人们对静电有了更多的研究。

随著科学技术水平的提高和工农业生产的发展，人们对于静电有了新的认识，目前静电在工农业生产中应用很广泛，如静电喷漆、静电植绒、静电印刷、静电除尘(锅炉除尘、水泥厂除尘等)、静电复印、选矿、石油脱水、静电捕鱼等。现代静电的应用对于节约材料、节约能源、保护环境、快速传递信息都具有重要意义。

由于我们对静电产生的规律、条件、消除办法还未能完全掌握，静电有时会给工农业生产和日常生活带来不良影响甚至重大危害。特别是随著石油化学工业的发展，化纤、塑料等高分子材料的普遍使用，静电引起的危害就日益显得突出，危害最大的是由静电火花放电引起的爆炸，如1969年12月两周内就有三艘20×10⁴t级国际油轮，因用喷枪喷射海水冲洗油舱起电引起爆炸，其中一艘在公海爆炸后沉没。美国1900～1957年粉体工业281次重大起火爆炸事故中，有24次是静电放电引起的。1971年日本各种工业中发生了139次由静电引起的火灾和爆炸事故。我国也曾多次发生这类爆炸火灾事故。电力系统因静电引起著火和爆炸事故也时有发生，并造成重大经济损失。因此我们应该对静电认真进行研究，从而避免静电危害的一面，使静电服务于人类。

(二)静电的产生及影响因素

1．静电的概念

正常情况下物体具有的正负电荷是均等的，电性能呈现中性状态。当两种不同性质的物体互相摩擦或接触时，由于它们对电子的吸力大小各不相同，发生电子的转移，破坏了每个物体电荷的等量和均衡状态，使物体呈带电状态。一个物体失去一部分电子而带正电荷，另一个物体获得一部分电子而带负电荷。如果该物体对大地绝缘，电荷无法泄漏，停留在物体内部或表面呈相对静止状态，这种电荷称为静电。

2．静电产生的机理

静电产生的机理主要可以从物质的基本特性和外界相互作用两个方面来进行解释和说明。

(1)物质基本特性：

❶ 从分子物理学我们知道，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子是由带正电的原子核和围绕原子核旋转带负电的一群电子所组成。原子核是由质子和中子组成。在正常状况下，原子核所带正电荷与电子所带负电荷是相等的，因此原子呈中性。一个元素的原子和另一个元素的原子不同之处仅在于它所包含的电子数和核上的电荷量不同。电子获得能量以后，可以脱离它原来所在的原子进入另一个原子，甚至脱离物体表面到另一物体表面。由于不同物质使电子脱离原来物体表面所需的功(逸出功或脱出功)有区别，因此，当他们两者紧密接触(接触间距小于25×10^－8cm)时，在接触面上就发生电子转移。逸出功小的物质，易失去电子带正电荷，逸出功大的物质获得电子则带负电荷，使界面两侧出现大小相等、符号相反的双电层。因此，各种物质逸出功的不同是产生静电的基础。电子在飞逸表层时，其逸出功为eU，e为电子的电荷的绝对值1．6×10^－19C，U为逸出电位(V)。逸出功通常用电子伏特量度，1电子伏特=1eV=1．6×10^－19J。电子逸出功与逸出电位成正比，因此，逸出电位低的物质易失去电子带正电荷。逸出电位的数值可以作为不同金属的特征参数之一，对大多数纯金属来说其值多在3～4．5V之间，个别金属，如铂的逸出电位超过5V。几种金属的逸出电位如表4－4－17所示。

表4－4－17 几种金属的逸出电位

(a)电荷的移动；(b)双电层的形成；(c)由于电荷分离而产生静电

电子从一物体转移到另一物体的现象，其主要作用形式除摩擦外，撕裂、剥离、拉伸、撞击等，都会产生静电。在工业生产过程中，如粉碎、筛选、滚压、压延、搅拌、喷涂、过滤、挤出、压制、抛光、皮带传动等工序都会发生类似情况。

❷ 附著带电。某种极性离子或自由电子附著在与大地绝缘的物体上，也能使该物体呈带静电现象。

❸ 感应起电。带电的物体还能使与它相近但并不相连的另一导体表面的不同部分出现极性相反的电荷，这种现象为感应起电。如带电的云块对大地有静电感应，在云块下的大地感应出异性的电荷。当云中电荷密集处的电场达到25～30kV／cm时，开始先导放电，同时出现雷鸣和闪光。

❹ 极化起电。某些物质，在静电场内，其内部或表面的分子能产生极化而出现电荷的现象，叫静电极化作用。如在绝缘容器内盛装带有静电的物体时，容器的外壁也具有带电性，这就是极化起电引起的。

❺ 电荷迁移。带电的雾滴或粉尘撞击到固态物体上(如静电除尘器)时，会产生电荷的迁移。当气体离子流射到初始不带电的物体上时，也会出现电荷迁移现象。

3．静电产生的基本形式

按照静电产生的原因和形式不同，可分为摩擦带电、流动带电、剥离带电、破裂带电、喷出带电、飞沫带电、滴下带电、涂敷带电、冲撞带电、感应带电、沉降带电、浮起带电、冻结带电等。

按照产生静电的物质不同，可分为固体带电、液体带电、粉尘带电、气体带电、人体带电等。

物体相互摩擦时，在接触位置电荷分离而产生静电的现象为摩擦带电。液体和粉尘类物质产生静电多由这个原因引起。皮带传动中，皮带与皮带轮摩擦使二者带电也属于摩擦带电。

相互结合密切的物体，剥离时引起电荷的分离而产生静电的现象称为剥离带电，如输煤皮带高速剥离时可以产生剥离带电。

液体在管子里流动而产生静电的现象为流动带电，如柴油或重油在胶皮管里输送时，在接触界面上形成双电层，双电层中电荷的一部分随液体流动而被带走，因而产生了静电。

粉尘类、液体类、气体类从截面小的部位喷出时，发生摩擦而产生的静电为喷出带电，当然喷出带电还与液体和粉体类物质本身相互碰撞并有飞溅飞沫产生有关。如氢气排放速度过高时产生静电为喷出带电。

粉体类物质颗粒之间相互冲撞形成极快的接触和分离而产生静电的现象为冲撞带电，如面粉场输粉管中产生静电为冲撞带电。

固体类或粉体类物体当其破裂时，产生电荷分离，正负电荷失去了均匀和平衡而产生静电现象为破裂带电。破裂带电原理如图4－4－29所示。

(a)正负电荷均匀平衡(破裂前)；(b)正负电荷不均匀平衡(破裂后)

喷向空间的液体类物质由于扩展、飞散和分离，形成很多雾状小滴形成新的液面而产生静电的现象为飞沫带电。

附著在器壁等处的固体表面上的珠状液体逐渐增大，在坠落脱离时产生电荷分离的现象为滴下带电。

另外，还有感应带电、浮起带电、沉降带电、涂敷带电、冻结带电等。水冻结带电过程见图4－4－30所示。

(a)由于结冻形成的电荷移动；(b)结冻完了的电荷分离；(c)冰的破裂而引起正负电荷分离

以下我们将固体带电、液体带电、粉尘带电、气体带电和人体带电给以较详细的阐述。

(1)固体带电。固体绝缘物没有自由电子，但其表面常因有杂质吸附、氧化等原因，形成具有电子转移能力的薄层，在摩擦、滚压、挤压、剥离等情况下能够产生静电。固体绝缘物在不同状态下(如清洁度)和不同环境中(如温度和湿度)所测得的电阻率差值很大，因此，影响固体物质产生静电的因素比较复杂。固体物质产生静电的情况，在橡胶、塑料、合成纤维、皮革等行业生产过程中比较常见。

如橡胶制品生产的压延工序中，胶料在压延滚筒的滚压下，由于受压面积较大，压力较高、电荷转移较快，产生静电压很高。轮胎的外胎在成型工艺中，使用大量的易燃溶剂，帘布在压延时由于摩擦力很大，静电电压可达10×10⁴V，帘布截断时可达到7×10⁴V，贴装时可达3×10⁴V。

运输传送设备也极易产生静电。如橡胶平皮带、塑料带、合成纤维带、牛(猪)皮带高速传动和输送等设备上常有静电发生，有时静电电压竟高达45000V。

不同磨料相互摩擦时产生静电压也各不相同。由实测可知，当温度为20℃，空气湿度为65%，在转速固定不变的条件下，不同物体相互摩擦产生的静电电压如表4－4－20所示。

表4－4－20 不同磨料相互摩擦产生静电电压

A－随著液体的流动而移动的电荷；B－固定在固体表面上不能移动的电荷

如灌装、输送易燃液体时，设备及管道未接地，静电就易积聚。曾经分别将汽油和煤油用Φ25mm的导管从储槽中以自由流入的方式，灌入比储槽低4m且对地绝缘的铁桶，经测试所产生的静电电压见表4－4－21所示的数值。

表4－4－21 灌装汽油和煤油时静电电压

电晕放电能量较小，造成灾害的机率也较小。

❷ 刷形放电。刷形放电发生在带电量大的非导体与接地的平滑形状的金属之间的气相空间，放电呈树枝状的发光形态，或由电晕放电进一步电离，在大气中发展为伴随有树枝状的发光的放电。放电时伴随有“啪啪”的强烈声音和发光，其放电形式如图4－4－33所示。

刷形放电引起火源或电击的机率比电晕放电高。

❸ 火花放电。火花放电发生在带电物体与其空间间隔很小的接地体之间的气相空间，且带电物体和接地体的形状都比较平滑，一般产生像一根线一样的高电流密度放电通道，放电伴随有发光和强烈的响声。火花放电能量大，且瞬时放出，因此引起火源和电击的机率较高，应特别注意和防止。火花放电形式见图4－4－34。

(2)表面放电。在带静电的非导体与接地体接近时，沿非导体表面的放电称为表面放电。当非导体带电量特别大，且带电非导体的背面邻近处有接地体时，尤其容易发生表面放电。表面放电有固定形状且呈树枝状的发光，如图4－4－35所示。表面放电能量大，易引起火灾。

无论是空间放电或者是沿带电物体表面放电，其危险程度均与放电火花的能量有关。

静电放电的火花能量与带电体的静电电位(即静电电压)、与所带静电电量、与物体的电容量成正比，表达式为

静电放电的火花能量大于周围可燃物的最小著火能量，并且爆炸性混合物的浓度在爆炸范围之内，即可发生燃烧或爆炸。例如有一炼油厂的中间油罐，容积为200m³，在注油中，开始以0．5m／s的流速进油56t，然后流速增至2．6m／s，12min时发生事故。事故后发现罐内有三个断了绳的铁浮球，原是用来测量油位用的。经分析认为，断绳的铁浮球因静电荷充电、放电，造成起火爆炸的可能性很大。模拟试验：以0．5m／min的流速进油，最高静电电位为830V，持续10min；再以2．6m／s流速进油，油面最高电位达7000V，这样断了绳的铁浮球的电位也达7000V，铁浮球本身的电容量计算值为18．4pF，用COJ－1C精密仪器测量为22．5pF，(取值为22pF)计算铁浮球储存能量为

这样，当绝缘的、储存有0．54mJ电能的铁浮球尖端部分靠近接地良好的金属罐壁时，产生火花放电，其放电能量0．54mJ已大于汽油的最小著火能量0．2mJ，足以使汽油燃烧，并使汽油气与空气混合的爆炸性混合物爆炸。二硫化碳的著火能量更小，仅有0．009mJ，爆炸的危险性更大。

2．静电妨碍生产、影响产品质量

在化学纤维纺织工业中，由于化纤丝与金属机件的相互摩擦，使化纤丝带电而相互排斥，以致经丝松散，使整经困难，产生乱丝。另外，静电力可使清洁的纺织品、塑料制品、光学玻璃及摄影胶片等吸附尘埃，使产品外观及质量受到影响。在胶片生产中，因静电火花放电，使胶片感光，而留下许多斑痕，造成废品。静电使叠色印刷产生废品，使通过管路的粉状介质粘在壁上，影响正常输送。

3．静电对人体造成电击

静电放电瞬间若冲击电流通过人体内部，对人体心脏、神经等部位可造成伤害。在生产工艺过程中如剥离、搅拌、印刷、滚压等过程中，在人们穿著化纤服装在人造革靠背椅上反复摩擦时，造成物料或人体上产生大量静电。当人体放电电荷达(2～3)10^－7C或人体电位达3kV以上时则产生静电电击。由于积聚静电能量很小(一般是mJ以下)，对人体达不到致命程度，但对于人的心脏、神经有较大冲击，会有麻电感，可引起高空坠落、跌倒，造成二次伤害。静电电压达到10kV、电荷密度达到10^－5C／m²时的带电绝缘体对人体放电，将引起明显的电击感觉。

这里应指出，雷电和电容器残留电荷虽也属静电，但因其电压很高、电容量大，储存电能量大得多，电击后果严重，应防止人体靠近放电位置造成的人身伤亡事故。

4．使发电厂、变电所保护和自动装置误动

在自动化程度较高的发电厂和变电所的保护和自动装置中，多采用电子计算机和微电子元件，机房中的静电放电，使计算机输入干扰信号，可能引起保护和自动装置的误动作。引起遥信、遥测、遥控装置误动或拒动，甚至酿成重大事故。

5．对设备或部件造成损害

汽轮发电机转子带电，当因转子接地不良，静电电压(轴电压)较高时，将产生较大的轴电流，轴电流流过轴颈、轴瓦及主油泵蜗轮蜗杆，将使其烧蚀，并使油质劣化；轴电流还引起汽轮发电机部件磁化等危害。

6．其他干扰

因放电现象产生的放电电流、电磁波和发光将导致半导体元件误动、电子仪器出现杂音和误动等故障。对无线电通信、录音设备、电子设备产生干扰，影响正常工作。