Ⅰ 如何能使導體有過剩的負電荷而其電勢為正
電是物體表面過剩或不足的靜止電荷。靜電是一種電能,它留存在物體表面;靜電是正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡的結果;靜電是通過電子或離子的轉移而形成的。
靜電現象是電荷的產生和消失的過程中產生的電現象的總稱。靜電具有以下特點:
1.從靜電危害的角度考慮,當材料的體積電阻率超過1*1010Ω.m時,材料耗散靜電的能力明顯減弱.從消除靜電的角度考慮,材料的體積電阻率不應該高於1010Ω.m.
2.在一般工業生產中,靜電具有高電位、低電量、小電流和作用時間短的特點,設備或人體上的靜電位最高可達數萬伏以至數千萬伏;在正常操作條件下也常達數百至數千伏;這要比市用低壓電220V、380V高得多。但所積累的靜電量卻很低,通常為毫微庫侖;靜電電流多為微安;作用時間多為微秒。
3.靜電較之流電受環境條件,特別是濕度的影響比較大;靜電測量時復現性差、瞬態現象多。
生產工藝過程中產生的靜電能使人毛發直豎,卻不能直接置人於死地;處在絕緣狀態的人體有時能與其他物體發生放電,使人遭受電擊(甚至引起爆炸或火災);產生靜電的工藝過程停止之後仍然可能發生靜電災害等等.這些從流電角度看不合常規的現象是靜電特性及與靜電相關的物料特性決定的.
靜電電壓和能量
人在地毯上行走或從椅子上起立時,人體靜電電壓可高達1萬多伏;脫下衣服的靜電電壓可高達數萬伏;液體靜電和粉體靜電均可高達數萬伏;而橡膠和塑料薄膜行業的靜電可高達10多萬伏.產生這樣高壓的靜電,花費的能量卻極為有限.微小的能量為什麼能產生這樣高的電壓呢?原來,兩導體之間的電容、電壓與其上電量之間保持U=Q/C的關系.以平板電容器為例,電容大小為C=εS/d.如果介電常數ε、極板面積S保持不變,則電容C與極間距離d成反比.兩物體緊密接觸時,其間距離為25×10-8厘米,其接觸電位差很小;當兩物體迅速離開至0.1厘米時,由於距離增大為原來的40萬倍,電容則減小為原來的40萬分之一.如果分離前後物體上的電量保持不變,電壓將升高為原來的40萬倍.即使接觸電兆衫位差只有0.01伏,分離至0.1厘米時的電壓也可達4千伏.因此,數萬伏靜電電壓是不足為奇的.
正因為靜電電壓在很胡吵大程度上取決於電容,以致同一帶電體的電壓隨著位置的變化而變化.例如,傳動皮帶的靜電產生於它與皮帶輪的接觸-分離處,但在剛離開皮帶輪時,電壓並不高;而運轉到兩皮帶輪中間時,由於距離拉大,電容大大減小,電壓則大大升高.靜電安全裝置設計和安裝、靜電測量等工作中,都不可忘卻電容對靜電的影響.
靜電的高壓特徵主要來自電容,而不是來自電量.測量表明,在局部范圍內,生產工藝過程中產生的靜電電量一般都是微庫侖級的.
工藝過程中所產生的靜電能量一般不超過數毫焦耳,少數能達到數十毫焦耳.靜電電擊是沖擊性電擊.大約0.5~1毫焦耳的靜電即使人有針刺和刺痛的感覺,5~6毫焦耳的靜電則使人有麻木的感覺和給人強烈的打擊.電擊使人致命的最小能量可以認為是27焦耳.雷電和電容器殘留電荷雖然也屬於靜電,但因其電壓極高或電容很大,放電能量足以使人致命.
微小的靜電放電能量能引燃很多爆炸性混合物.大部分烴類燃料蒸氣混合物的最小引燃能量只有0.2毫焦耳左右.有些混合物的最小引燃能量更小,如氫和乙炔的只有0.019毫焦耳.粉體最小引燃能量有1毫焦耳以下的,有數毫焦耳的,也有數十毫焦耳的.例如,層狀鎂粉的只有0.24毫焦耳,層狀鋁粉、硫粉只有1.2毫焦耳,雲狀酚醛樹脂粉的為10毫焦耳.人體靜電往往可以引燃某些爆炸性混合物.
靜電泄漏
易於產生和積累靜電的材料多是高分子材料.這些材料的電阻率都很高.例如,天然橡膠的體積電阻率為1013~1014歐姆米、無氨酚醛塑料的為1011~1013歐姆米、聚苯乙烯的為1014~1017歐姆米、甲基硅油的大褲猜侍於1012歐姆米等.由於電阻率大都很高,泄漏往往很慢.例如,某材料ε=40×10-12F/m、ρ=1014歐姆米,則時間常數τ=ερ=4000 s,帶電體的帶電量下降為原來的一半時需要46分多鍾.由此可見,產生靜電的工藝過程停止相當長一段時間之後,其上仍然有可能帶有危險的靜電,仍然可能造成嚴重事故.
由於絕緣體上靜電泄漏很慢,同一絕緣體的不同部位可能在較長時間內保持不同的電勢.因此,對於一個絕緣體,可以出現從這邊接近沒有危險,而從那邊接近即發生放電的「怪」現象.如絕緣體受潮,其表面電阻降低,靜電將變得容易泄漏.
事實證明,電阻率107歐姆米以下的固體、電阻率108歐姆米以下的液體由於泄漏均不容易積累靜電;而電阻率109歐姆米以上的固體、電阻率1010~1012歐姆米的液體均容易積累危險靜電;但電阻率1013歐姆米以上的液體由於分子極性很弱而不容易產生靜電.
基於上述情況,靜電導體一般系指電阻率106歐姆米以下的物體;靜電絕緣體一般系指電阻率1010歐姆米以上的物體;而電阻率106~1010歐姆米之間的物體雖然在流電范圍屬於絕緣體,在靜電范圍卻只能是可以泄漏靜電的亞導體.