固体静电

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固体起电通常包括有接触起电、物理效应起电、非对称摩擦起电、电解起电、静电感应起电等起电类型。在生产工艺中,如纤维织物与辊轴的摩擦,塑料或橡胶的碾制,某些物质在挤出、过滤、粉碎、研磨过程中均可能有静电产生。而上述生产工艺中产生的静电往往能引起火灾和电击等事故。

1.接触起电

(1)金属之间的接触起电 两种不同材料的物体相接触,在它们之间的距离达到或小于 25 (10m) 时,一种物质中的电子就会传给另一种物质。失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电。人们通常认为两物体只有相互摩擦才能起电,其实摩擦只不过是增加了接触面及提高了接触后的分离速度,因此可以认为摩擦只是接触的一种特殊形式而已。两物体接触时,总是功函数较小的那个物体有更多的电子转移到功函数较大的物体上去,两物体接触后再分开,它们就带上了不同符号的电荷。使一个电子逸出物质所要求外界作的功称为逸出功或功函数。应用功函数的概念可以比较形象地解释偶电层和接触电位差的现象。如图 1所示为接触电位差的形成示意。两物质中电子的位能分别为 W1 和 W2。显然,两金属功函数的值亦为W1 和 W2。金属中的电子位能都是负值,形成所谓位能阱。当两种物质之间的距离小于 25 (10m) 时,由于第二种物质的电子位能比第一种物质中的电子位能高,因此有较多的电子从第二种物质流入到第一种物质中去,这样就形成了偶电层,使第一种物质带负电而第二种物质带正电。随着电子的继续转移,第二种物质内电子的位能逐渐降低,而第一种物质中的电子位能则逐渐升高,当达到平衡的界面上便出现了 W1- W2 的电子位能差。

 

图 1 接触电位差的形成

应该指出,金属之间紧密接触虽然可产生偶电层,但当两金属分开时各接触点不可能做到同时分开,因而接触面两边的正负电荷将通过尚未分开的那些接触点构成的导电通道而互相中和,致使在通常情况下导体分开后仍不带电。只有绝缘状态下的金属与绝缘材料摩擦时,两者都有可能带电,如图 2所示。

图 2 固体接触起电

常见的是金属与高分子物质或两种高分子绝缘物质间的相

互摩擦而起电的现象。譬如橡胶带 (或其他电介质的带状材料) 通过辊轴时的带电情况,如图 3所示。如果橡胶带连续

图 3 橡胶带通过

辊轴产生静电

通过几个辊轴,则静电量不断增加,但考虑到偶电层建立后,将对电子的继续转移起阻碍作用,会有部分电荷经泄漏和放电而消失,因此胶带上的电荷量不可能无限增加,最终会达到一个稳定的极限值。

实践证明由橡胶带、皮革或合成材料制成的传动皮带与皮带轮或导轮间发生摩擦和接触分离时,不论皮带轮或导轮是用非金属材料制成的还是用金属材料制成的,都会在带和轮上产生等量异号的静电电荷。在橡胶、塑料、造纸、纤维等行业生产中的静电有时可高达几万伏甚至十几万伏,如不采取适当消除措施,则很容易导致电击和火灾。

(2)金属与高分子固体间的接触起电 金属与均匀电介质接触时,也同样形成偶电层。其特点是在金属一侧电荷分布在金属表面上,其面电荷密度为 σm1;而在电介质一侧电荷则分布在具有深度 t的薄层内,其体电荷密度为 ρm2。如图 4所示。


图 4 金属与均匀

电介质的界面

2.固体的物理效应起电

(1)热电效应 某些晶体具有明显的热电现象。例如将石英体加热,则一端带正电,另一端带负电;在冷却时两端与加热时带电符号相反。这一带电现象称为热电效应。

(2)压电效应 晶体受到应力作用后,内部便发生均匀的形变。然而在对称的晶体中,例如食盐之类的晶体,每一质点为对称中心,离子之间的对称排列并不因受到应变而改变。因此,仅仅由应力作用不能产生离子之间的不对称的相对位移,不能产生极化。如一非空间中的晶体,当其受到应力时伸长,但它们仍是等间距地排列着,因此一般来说,仍不能产生电偶极矩。只有在原先正负离子排列成不对称点阵时,才有可能由应力产生电偶极矩,如金刚石型的硫化锌、水晶、磷酸氢钾和钛酸钡等不对称的晶体在应力作用下可以发生极化。不对称的晶体受到应变后,离子间受到不对称的内应力,这个内应力使得离子间产生不对称的相对移动,结果产生了新的电偶极矩和面电荷,这种现象称为压电效应。

石英在 1kg的压缩力下,其相对的两个面上能够产生百分之几伏的电位差,酒石酸钾钠晶体的此种效应更显著。目前所生产的某些压电陶瓷,在冲击压力下,可产生几万伏的脉冲静电高压,被用作静电火花源。

(3)因材料破裂而带电 原来呈电中性的固体材料或粉体类物质因破裂会产生静电,如图 5 所示。另外,当有极性基的冰块破裂时也可产生静电。其带电过程是电荷因冻结而分离,冻结后假如中心部带负电,外侧带正电,则当冰层破裂时将引起电荷的分离,这时碎冰片将带上正电,如图 6 所示。


5 因破裂产生静电

6 因冻结、破裂而产生静电 图 7 非对称摩擦


3.非对称摩擦带电

现取两根相同物质的棒研究其起电规律。令一根静止,另一根在其上摩擦,如图 7所示。这时静止的一根在较大的范围内受到摩擦,而运动的那根棒只有一个很小的面积 (接触点)受到了摩擦,这样的摩擦称为非对称摩擦。用橡胶棒进行非对称摩擦,最初发现运动的棒带正电而继续进行几十次强烈摩擦后其电荷又变成负的,这是因为运动的棒在接触点温度上升产生变形的缘故。

有人认为,由于变形引起硬橡胶棒的局部破断产生出像 S2 -那样容易移动的离子,又因两棒之间存在温度差和离子浓度差,离子就向对方的棒扩散。相同材质但温度不同的两物体互相摩擦也会产生静电。例如,加热的玻璃棒与冷的玻璃棒相摩擦后会分别带上符号相反的电荷。对这一现象可以作如下解释:一方面由于两棒间存在着温度差使棒表面的带电粒子向冷的一方扩散;另一方面也由于两者的温度差产生了表面能级之差,从而导致了带电粒子的定向运动。

4.电解起电

当把金属浸入电解质溶液中时,金属离子将向溶液扩散。随着这一过程的进行,在界面上将出现偶电层,形成电位差。

应该指出,上述的电解现象在固体与固体之间接触时也会发生。这是由于固体表面能吸附很薄的水或其他的液体形成薄膜,这就使得两相接触的固体分界面上存在这种膜,通过这种膜而发生了电解现象。实验指出,当这种液膜的厚度为 100 ×10-9

m 时电解现象最易发生。但应指出,由于在固体表面存在着这种液膜会大大降低固体的表面电阻率,致使这样的固体经接触再分离时,界面两侧的电荷几乎全部中和掉。

电解偶电层液膜厚度约 (10 ~ 60)×10-10m,电位差约为0.01 ~ 0.1V,面电荷密度约为 0.2C/m2。

5.静电感应带电

中性导体置于外电场中会发生静电感应现象,当把被感应而带电的导体的一端接地时,这端电荷将被中和掉,然后,将接地线断开,再去掉外场,这时孤立导体就带上了电,这就是所谓感应起电。

除导体外,电介质在静电场中同样也能感应起电。在外电场中,电介质要发生极化。极化后的电介质在垂直电力线方向

的两界面上将出现大小相等、符号相反的束缚电荷,这些束缚电荷也反过来影响电场。外电场取消后,电介质上的束缚电荷将逐渐消失。如果束缚电荷的某一种电荷由于某种原因消失,则电介质上另一种电荷将使电介质处于带电状态。起电材料在外电场中达到静电平衡所需要的时间称为弛张时间。它是表征感应起电特性的重要参数。金属材料的弛张时间仅 10-13~ 10-16s;电介质的弛张时间通常在 10-8s以上,有的甚至长达数小时至数昼夜。

6.固体静电的积聚

静电开始产生时静电量是随时间而增加的,但积聚到一定程度时,静电量不会无限地增加而是趋于某一稳定值。这是因为任何材料的绝缘电阻都不可能是无限大的,因此严格说静电的产生和静电的泄漏是同时进行的,只不过开始阶段静电的产生多于静电的泄漏,然后产生量和泄漏量逐渐达到平衡。

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