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TUhjnbcbe - 2023/8/8 21:42:00
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静电

说起静电,几乎每个人都有被它电过的经历,还有在夜晚脱衣服时闪着蓝光的噼里啪啦...相比用电器和电线中预知的电流,静电显得更加隐秘,时不时就给你猝不及防的来一下。从数字上来说,伏特的电压感觉已经很危险了,而你知道吗?静电的瞬时放电电压可高达十几万伏特以上!人体静电电压也高达2万伏特,足以引燃易燃物。比如下面这个惊险的瞬间。

加油时汽油蒸汽被静电引燃

静电是一种处于暂时静止状态的电荷。在干燥和多风的秋天,见面握手时,手指刚一接触到对方,会突然感到指尖针刺般刺痛,令人大惊失色;早上起来梳头时,头发会黏在梳子上,越理越乱;拉门把手、开水龙头时发出“啪”的声响,这就是发生在人体与物体之间的静电现象。

电子与电荷

静电是由摩擦起电(electrificationbyfriction)效应产生的,但是摩擦为什么会起电?

电子一种亚原子粒子。它可以是自由的(不属于任何原子),也可以被原子核束缚。电子受到原子核的吸引以电子云的状态包围在原子核周围。我们生活中认知的电现象本质是电子的各种活动。

回顾电磁学发展历史,人们在认知电现象的时候还没认识到电子的存在,只是把由丝绸摩擦的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷,由毛皮摩擦的橡胶棒所带的电荷叫负电荷,而后来发现电子后,发现电子的电性是负的,所以人们在规定电荷的正负时与电子没什么关系,只是电子的电性符合负电的性质。

目前已知,自然界存在两种性质的电荷,既正电荷与负电荷,在通常情况下,原子核里的粒子带的是正电荷,而电子带的是负电荷,核内正电荷数跟核外电子带的负电荷数相等,原子不显电性,所以整个物体是中性的。原子核里正电荷数量很难改变(除非核裂变或者聚变)而核外电子却能摆脱原子核的束缚,转移到另外的物体上,从而使核外电子带的负电荷数目改变。当物体失去电子时,它的电子带的负电荷总数比原子核的正电荷少,就显示出带正电;相反,本来是中性的物体,当得到电子时,它就显示出带负电。

摩擦起电原理

两个物体互相摩擦时,物体表面的原子与原子之间也相互接触,因为不同物体的原子核束缚核外电子的本领不同,所以其中必定有一个物体失去一些电子,另一个物体得到多余的电子。如用玻璃棒跟丝绸摩擦,玻璃棒的一些电子转移到丝绸上,玻璃棒因失去电子而带正电,丝绸因得到电子而带着等量的负电。用橡胶棒跟毛皮摩擦,毛皮的一些电子转移到橡胶棒上,毛皮带正电,橡胶棒带着等量的负电。

18世纪中叶,美国科学家本杰明·富兰克林经过分析和研究,电荷间的相互作用:同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。任何两种不同的物体摩擦,都可以起电。

摩擦让电子发生转移

电荷不是一种粒子!电荷不是一种粒子!电荷不是一种粒子!(重要的内容说三遍)

摩擦产生了人体静电

人体静电是由于人的身体上的衣物等相互摩擦产生的附着于人体上的静电。有人对日常生活产生的静电做过调查和实测,在地毯上走动可产生~伏静电,在乙烯树酯地板上走动时可产生~伏静电,室内屁股在椅子上一蹭就会产生伏以上的静电。

一次微型的人造闪电

在一个天气干燥的日子里,你在一个沙发上与人聊天,期间身体挪动,衣服与化纤材料的沙发织物表面不停摩擦,当你结束会谈从沙发上起来的时候,由于摩擦起电效应,这时你身上已经积累了携带高达1万多伏负电荷的电子!而这些电子由于没用通路只能暂时聚集在衣服表面。

这时你决定开门走出房间,当你的手在接触门把手的瞬间(门接地是零电压位)这些聚集的电子迫不及待地顺着手与门金属把手的这条通路向地面移动,(移动速度是光速)由于电压很高,大量以光速移动的电子堵塞在手与金属间很小的接触面积上,就形成了静电放电现象。你可以理解为一次迷你的人造闪电,于是你感受到了电击带给皮肤灼烧的疼痛,看到了电弧发出的火花,听到了瞬间放电电弧压缩空气产生的声波,啪!

静电电压这么高为什么电不死人?

高压电(英语:Highvoltage),是指配电线路交流电压在V以上或直流电压在V以上的电接户线。人体静电电压都达到了几万伏特,比高压电高不少,为什么没把人电死?

首先这里要说明一个概念,电压只是表明推动电子克服电阻移动的能力大小,真正能伤害人体的是通过人体的电流大小。静电虽然电压大,但是总电荷量很少,并且瞬间就释放完了(微秒级别)。所以,当人体静电放电时,刚感觉到轻微刺痛,电量就已经被释放了。

人触电致死的原因是神经痉挛,导致心肌梗塞、脑细胞窒息,这需要经历一定的时间,积累足够的电量。(mA一百毫安电流通过人体1秒可以导致死亡)人体摩擦产生的静电电压虽然足够高,但电流量仅有微安级别,且仅持续数微秒,并没有什么影响。在人类历史上,还没有人因自身静电放电而直接导致伤亡的先例。(由静电产生的间接伤害不算)

所以,高电压并不可怕,关于触电伤害,我们要注意的其实是电流大小与接触时间。

静电是把双刃剑

年1月27日,这是一个被美国航天永久铭记的黑暗日子。在这一天,他们以一种最惨烈、最无可奈何的方式葬送了三名优秀的宇航员。

阿波罗1号成员组

年1月27日,星期五,距“阿波罗1号”飞船正式发射还有几星期。宇航机组人员:维吉尔·格里森、爱德华·怀特和罗格·查非,在距离地面60米的发射台上对飞船进行定位系统和生命支持系统的试验。

距离模拟倒计时还有10分钟的时候,控制中心的对讲机里听到宇航员查非说:“起火了。”接着他又说:“座舱起火了。”“快放我们出去,我们被烧着了!”之后就听见一声大叫,之后一切归于沉寂。

被静电引燃的座舱

救援小组赶到事故现场后,又花了十几分钟才取下了飞船舱门,当狭小而充满氧气的指令舱被开启后,里面充满了黑色的碳烟,三名宇航员已经在座位上被烧成了三具焦炭。之后美国航空航天局的人就迅速封锁了现场、封了控制中心所有的外线电话,控制室的门被锁,并派了人看守。

事后据美国国家航空与航天管理局官员描述,阿波罗1号飞船座舱的设计是一个纯氧环境,事故原因是宇航员在操作电子元件试验过程中产生了静电火花,继而点燃了阿波罗飞船座舱高浓度的氧气,瞬间窜满整个座舱。由于燃烧,舱内压强变大,同时由于舱门的设计不合理,宇航员无法从里打开舱门逃生,造成活活烧死的惨状。

大火甚至窜到指令仓外

静电的危害很多,比如飞机机体在空中飞行时与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电,如果不采取措施消除,将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作,并且在飞机着陆后上下客或者加油作业时会造成严重的电击隐患。因此我们常常看到飞机机翼上有一些突出的”小尾巴“。

机翼放电刷

机翼放电刷

放电刷就是利用尖端放电的原理,将电荷集中于机体外侧的尖端,使其不断与空气发生小的放电过程,从而减少机身电荷累积。

但是任何事物都有两面性,如果没有静电,人类文明发展会变慢你信吗?

静电虽然有害,但是如果没有静电,复印机就无法被发明出来,年美国人切斯特.卡尔森发明了静电复印技术。世界上第一台干板式光电复印机问世于年,并由美国的哈曼德公司投产。最早称呼复印机,前面都会加上静电两个字。静电复印机的印刷过程是:把原件的文字或图像投影到一个半导体平面上,随后在该平面上涂一层反光负载粉,带电荷区域能迅速地将这些负载粉吸附,由此得到一张粉图,再让粉图移压至白纸上,加热烘干,便可得到一张与原件一模一样的定影文件。

由于复印机在复制份数较少的文件时快捷方便,并能保持原件的原样,因此很快得到了推广使用,已成为一种常用的现代办公设备。因此静电也间接推动了人类文明的快速发展。

另外矿业作业中,静电虽然是矿井瓦斯的大敌,但是同时静电除尘技术由保证了井下作业的空气质量,真是有点成也萧何败也萧何的感觉。

日前,中美科学家联合开发出一种能从汽车车轮与地面的摩擦中收获能量的纳米发电机,有望将此前白白浪费掉的能源回收。据称,该装置能将车辆的燃油效率提高至少10%。纳米发电机就依靠这种摩擦电效应,从路面和车辆车轮之间电位差的变化来获得电能。这种纳米发电机依靠集成到车轮上的分段电极来发电。当这部分轮胎表面与路面接触时,两个表面的摩擦会因摩擦电效应产生电荷。在最初的实验中,王旭东和他的同事使用玩具车和发光二极管LED来证明这个概念。它们将电极附着到玩具车的车轮上,当玩具车在地上行进的时候,就能点亮LED灯。实验显示,摩擦引起的电子运动产生的电能足以驱动LED灯,这些能量完全可以被收集和再利用。

梵观点:随着科学技术的不断发展,静电将为人类所利用而不再成为“绊脚石。

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