靜電
說起靜電,幾乎每個人都有被它電過的經歷,還有在夜晚脫衣服時閃著藍光的噼裡啪啦...相比用電器和電線中預知的電流,靜電顯得更加隱秘,時不時就給你猝不及防的來一下。從數字上來說,220伏特的電壓感覺已經很危險了,而你知道嗎?靜電的瞬時放電電壓可高達十幾萬伏特以上!人體靜電電壓也高達2萬伏特,足以引燃易燃物。比如下面這個驚險的瞬間。
加油時汽油蒸汽被靜電引燃
靜電是一種處於暫時靜止狀態的電荷。在乾燥和多風的秋天,見面握手時,手指剛一接觸到對方,會突然感到指尖針刺般刺痛,令人大驚失色;早上起來梳頭時,頭髮會黏在梳子上,越理越亂;拉門把手、開水龍頭時發出「啪」的聲響,這就是發生在人體與物體之間的靜電現象。
電子與電荷
靜電是由摩擦起電(electrification by friction)效應產生的,但是摩擦為什麼會起電?
電子一種亞原子粒子。它可以是自由的(不屬於任何原子),也可以被原子核束縛。電子受到原子核的吸引以電子云的狀態包圍在原子核周圍。我們生活中認知的電現象本質是電子的各種活動。
回顧電磁學發展歷史,人們在認知電現象的時候還沒認識到電子的存在,只是把由絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電荷叫做正電荷,由毛皮摩擦的橡膠棒所帶的電荷叫負電荷,而後來發現電子後,發現電子的電性是負的,所以人們在規定電荷的正負時與電子沒什麼關係,只是電子的電性符合負電的性質。
目前已知,自然界存在兩種性質的電荷,既正電荷與負電荷,在通常情況下,原子核裡的粒子帶的是正電荷,而電子帶的是負電荷,核內正電荷數跟核外電子帶的負電荷數相等,原子不顯電性,所以整個物體是中性的。原子核裡正電荷數量很難改變(除非核裂變或者聚變)而核外電子卻能擺脫原子核的束縛,轉移到另外的物體上,從而使核外電子帶的負電荷數目改變。當物體失去電子時,它的電子帶的負電荷總數比原子核的正電荷少,就顯示出帶正電;相反,本來是中性的物體,當得到電子時,它就顯示出帶負電。
摩擦起電原理
兩個物體互相摩擦時,物體表面的原子與原子之間也相互接觸,因為不同物體的原子核束縛核外電子的本領不同,所以其中必定有一個物體失去一些電子,另一個物體得到多餘的電子。如用玻璃棒跟絲綢摩擦,玻璃棒的一些電子轉移到絲綢上,玻璃棒因失去電子而帶正電,絲綢因得到電子而帶著等量的負電。用橡膠棒跟毛皮摩擦,毛皮的一些電子轉移到橡膠棒上,毛皮帶正電,橡膠棒帶著等量的負電。
18世紀中葉,美國科學家班傑明·富蘭克林經過分析和研究,電荷間的相互作用:同種電荷互相排斥,異種電荷互相吸引。任何兩種不同的物體摩擦,都可以起電。
摩擦讓電子發生轉移
電荷不是一種粒子! 電荷不是一種粒子! 電荷不是一種粒子!(重要的內容說三遍)
摩擦產生了人體靜電
人體靜電是由於人的身體上的衣物等相互摩擦產生的附著於人體上的靜電。有人對日常生活產生的靜電做過調查和實測,在地毯上走動可產生1500~35000伏靜電,在乙烯樹酯地板上走動時可產生250~12000伏靜電,室內屁股在椅子上一蹭就會產生1800伏以上的靜電。
一次微型的人造閃電
在一個天氣乾燥的日子裡,你在一個沙發上與人聊天,期間身體挪動,衣服與化纖材料的沙發織物表面不停摩擦,當你結束會談從沙發上起來的時候,由於摩擦起電效應,這時你身上已經積累了攜帶高達1萬多伏負電荷的電子!而這些電子由於沒用通路只能暫時聚集在衣服表面。
這時你決定開門走出房間,當你的手在接觸門把手的瞬間(門接地是零電壓位)這些聚集的電子迫不及待地順著手與門金屬把手的這條通路向地面移動,(移動速度是光速)由於電壓很高,大量以光速移動的電子堵塞在手與金屬間很小的接觸面積上,就形成了靜電放電現象。你可以理解為一次迷你的人造閃電,於是你感受到了電擊帶給皮膚灼燒的疼痛,看到了電弧發出的火花,聽到了瞬間放電電弧壓縮空氣產生的聲波,啪!
靜電電壓這麼高為什麼電不死人?
高壓電(英語:High voltage),是指配電線路交流電壓在1000V以上或直流電壓在1500V以上的電接戶線。人體靜電電壓都達到了幾萬伏特,比高壓電高不少,為什麼沒把人電死?
首先這裡要說明一個概念,電壓只是表明推動電子克服電阻移動的能力大小,真正能傷害人體的是通過人體的電流大小。靜電雖然電壓大,但是總電荷量很少,並且瞬間就釋放完了(微秒級別)。所以,當人體靜電放電時,剛感覺到輕微刺痛,電量就已經被釋放了。
人觸電致死的原因是神經痙攣,導致心肌梗塞、腦細胞窒息,這需要經歷一定的時間,積累足夠的電量。(100mA 一百毫安電流通過人體1秒可以導致死亡)人體摩擦產生的靜電電壓雖然足夠高,但電流量僅有微安級別,且僅持續數微秒,並沒有什麼影響。在人類歷史上,還沒有人因自身靜電放電而直接導致傷亡的先例。(由靜電產生的間接傷害不算)
所以,高電壓並不可怕,關於觸電傷害,我們要注意的其實是電流大小與接觸時間。
靜電是把雙刃劍
1967年1月27日,這是一個被美國航天永久銘記的黑暗日子。在這一天,他們以一種最慘烈、最無可奈何的方式葬送了三名優秀的太空人。
阿波羅1號成員組
1967年1月27日,星期五,距「阿波羅1號」飛船正式發射還有幾星期。宇航機組人員:維吉爾·格裡森、愛德華·懷特和羅格·查非,在距離地面60米的發射臺上對飛船進行定位系統和生命支持系統的試驗。
距離模擬倒計時還有10分鐘的時候,控制中心的對講機裡聽到太空人查非說:「起火了。」接著他又說:「座艙起火了。」「快放我們出去,我們被燒著了!」之後就聽見一聲大叫,之後一切歸於沉寂。
被靜電引燃的座艙
救援小組趕到事故現場後,又花了十幾分鐘才取下了飛船艙門,當狹小而充滿氧氣的指令艙被開啟後,裡面充滿了黑色的碳煙,三名太空人已經在座位上被燒成了三具焦炭。之後美國航空航天局的人就迅速封鎖了現場、封了控制中心所有的外線電話,控制室的門被鎖,並派了人看守。
事後據美國國家航空與航天管理局官員描述,阿波羅1號飛船座艙的設計是一個純氧環境,事故原因是太空人在操作電子元件試驗過程中產生了靜電火花,繼而點燃了阿波羅飛船座艙高濃度的氧氣,瞬間竄滿整個座艙。由於燃燒,艙內壓強變大,同時由於艙門的設計不合理,太空人無法從裡打開艙門逃生,造成活活燒死的慘狀。
大火甚至竄到指令倉外
靜電的危害很多,比如飛機機體在空中飛行時與空氣、水氣、灰塵等微粒摩擦時會使飛機帶電,如果不採取措施消除,將會嚴重幹擾飛機無線電設備的正常工作,並且在飛機著陸後上下客或者加油作業時會造成嚴重的電擊隱患。因此我們常常看到飛機機翼上有一些突出的」小尾巴 「。
機翼放電刷
機翼放電刷
放電刷就是利用尖端放電的原理,將電荷集中於機體外側的尖端,使其不斷與空氣發生小的放電過程,從而減少機身電荷累積。
但是任何事物都有兩面性,如果沒有靜電,人類文明發展會變慢你信嗎?
靜電雖然有害,但是如果沒有靜電,複印機就無法被發明出來,1938年美國人切斯特.卡爾森發明了靜電複印技術。世界上第一臺幹板式光電複印機問世於1949年,並由美國的哈曼德公司投產。最早稱呼複印機,前面都會加上靜電兩個字。靜電複印機的印刷過程是:把原件的文字或圖像投影到一個半導體平面上,隨後在該平面上塗一層反光負載粉,帶電荷區域能迅速地將這些負載粉吸附,由此得到一張粉圖,再讓粉圖移壓至白紙上,加熱烘乾,便可得到一張與原件一模一樣的定影文件。
由於複印機在複製份數較少的文件時快捷方便,並能保持原件的原樣,因此很快得到了推廣使用,已成為一種常用的現代辦公設備。因此靜電也間接推動了人類文明的快速發展。
另外礦業作業中,靜電雖然是礦井瓦斯的大敵,但是同時靜電除塵技術由保證了井下作業的空氣品質,真是有點成也蕭何敗也蕭何的感覺。
日前,中美科學家聯合開發出一種能從汽車車輪與地面的摩擦中收穫能量的納米發電機,有望將此前白白浪費掉的能源回收。據稱,該裝置能將車輛的燃油效率提高至少10%。納米發電機就依靠這種摩擦電效應,從路面和車輛車輪之間電位差的變化來獲得電能。這種納米發電機依靠集成到車輪上的分段電極來發電。當這部分輪胎表面與路面接觸時,兩個表面的摩擦會因摩擦電效應產生電荷。在最初的實驗中,王旭東和他的同事使用玩具車和發光二極體LED來證明這個概念。它們將電極附著到玩具車的車輪上,當玩具車在地上行進的時候,就能點亮LED燈。實驗顯示,摩擦引起的電子運動產生的電能足以驅動LED燈,這些能量完全可以被收集和再利用。
梵觀點:隨著科學技術的不斷發展,靜電將為人類所利用而不再成為「絆腳石"。