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计划规划

关于静电效应及其应用的研究

发布: 2020-07-02 04:28:21   阅读: 次 【   

【摘 要】 本论文从基础的静电原理谈起,针对其物理中的相关理论和应用做了分析比较,同时对静电效应在社会生产中的广泛应用和危害防治做了概括总结

【关键词】 静电 静电效应 静电应用

静电效应发现至今,科学家对它的研究从未停止,从对静电屏蔽的简单应用、压电效应中的静电感应应用,到现代的静电发电、静电集尘等新技术的开发利用等等,伴随着静电新技术的开发使用,静电带来的各类危害也日益增多,特别是在电子工程中的影响尤其突出,静电一直与我们大家的生活息息相关。所以静电效应的综合防治与有效利用,也越来越受到人们的关注。

1 静电效应基本原理简介

谈及静电效应,首先就应该了解静电感应,静电感应是一种起电方法,如图1:一对由玻璃棒支撑的导体A与B接触且不带电,导体C带正电,当它们相互靠近时,会出现A、B带电的现象,导体A带负电,导体B带正电。

静电效应描述的是一种现象:当带电物体靠近绝缘导体时,导体靠近带电体的一端带相反电性的电荷,远离带电体的一端带相同电荷的现象。

静电效应的基本原理:当导体A、B接触时,导体内部的自由电子没有受到外电场的作用,从而均匀分布,当C靠近A、B时,带电体C会产生附加电场,对于放入此电场中的导体,其内部的电荷会发生定向移动,其结果是指示导体的两端出现等量的正、负电荷[1]。

2 在导体及压电效应中的静电感应原理

2.1 导体中的静电感应原理

如果在导体周围,存在外电场,其内的自由电子将会受到电场的影响,电荷排列重新分布,自由电荷的新的分布方式会引起一个电场,其电场方向与的方向相反,设新电场的强度为。导体内的电场强度等于和的叠加,等大反向的电场因叠加而互相抵消,使得导体内部的总电场强度为零,导体内的自由电子将不再定向移动。在静电学中导体内没有电荷定向移动的状态即称为静电平衡。处于此状态下的导体,自由电荷分布在导体的外表面上。若处于电场中的导体是中空的,那么达到静电平衡时,其内部也将没有电场。这样,导体的外壳像一层保护膜一样,对其内部加以保护,使外部电场不会对内部产生影响,这就是静电屏蔽现象[2]。如图2所示。

2.2 压电效应中的静电感应原理

2.2.1 压电效应简述

电介质在受到外力的作用时会发生形变,而某些电介质在形变的同时其内部会出现极化(取向极化)现象。形成一种类似导体静电屏蔽的状态,当把外力撤去后,电介质又将变成不带电的状态,这种神奇的实验现象即为压电效应,也称作正压电效应。

当电介质在受到用力作用而产生压电效应时,如果将作用力的方向改变,那么电介质的外显电性也将改变。反之,如果在电介质的极化方向上有外加电场,那么电介质亦发生形变,电场被撤掉后,电介质将会恢复原貌[3]。

2.2.2 静电能的新技术应用

随着压电技术在理论上的日臻成熟,在实际应用方面也取得了很大进步,海浪压电发电技术就是一种已经很成熟的发电技术,科学家将压电聚合物合成器浸没在深水海域,用锚链将其与海面上的浮体相连,浮体会随着海浪的冲击而激烈浮动,使压电聚合物受到周期性作用力,由此产生电能。再通过储电技术将电能传送出来。相类似的,科学家们将压电装置植入手机的话筒内,这样人们在讲话的同时会产生微电能,这些电能又会为手机进行充电,如此就能让手机处在不断电的状态,对此类技术的研究开发在能源的可持续利用上具有重要意义。北京大学工学院先进材料与纳米技术系的研究小组,利用了氧化锌纳米线发明了纳米级的发电机,可将机械能转换成电能,其发电效率可达到17%至30%之间,这为研究自发电纳米原件奠定了理论基础[4]。

3 静电效应的传统性危害

3.1 静电灾害

此类灾害多指由静电引发的大火或爆炸事故,其爆发具有突发性,往往会造成巨大损失。在漆黑的夜晚,我们脱毛料衣服时,会有明亮的火花产生同时伴有“叭叭”的响声,这也属于静电放电,不过这不会对我们的身体造成伤害。可是在医院中,由于操作失误而引发放电火花,可以导致医用麻醉剂发生爆炸,给正在手术的患者和医务人员的安全带来威胁;在煤矿采矿作业中,更是会引起大面积的瓦斯爆炸,致使工人死伤、矿井报废。

3.2 静电障害

人们把静电给人类的生活带来的麻烦与障碍称为静电障害,虽然它不具有突然爆发性,但它同样会给人们的生产生活带来严重的危害,尤其是在电子行业,要求仪器的精良缜密,静电会引起电子元件失灵甚至报废。例如,在飞机飞行的过程中由于摩擦而带电,如果放任不管,将会干扰飞机无线电设备的正常工作,给飞机的安全带来隐患,飞机上靠窗的乘客可以看到,飞机的侧翼尖装有防静电的放电刷,为了保护乘客飞机着陆时的安全,在起落架上会安装有接地线,以便将飞机在空中产生的静电荷释放掉。在印刷厂里,纸页摩擦产生的静电会使纸页粘合,给印刷和裁剪工作带来影响;在制药厂里,尘埃颗粒较多,这些颗粒会受到的吸引,导致药品无法达到标准纯度,降低合格率;显像管电视机在使用时,荧屏表面的静电吸附空气中的灰尘,在屏幕上会出现薄薄的一层尘埃膜,引起图像的清晰度和亮度的降低[5]。

4 静电效应在现代电子工程中所产生的影响

20世纪是各行各业飞速发展的年代,人们开始把静电学的重点从研究实验阶段向静电技术的革新应用阶段转变。同时静电也给工业生产带去了障碍和危害。随着科学技术的不断进步,高分子纳米材料、微电子技术的普及应用,静电引起的危害更是引起了人们的重视。

静电危害及其防护是防护工程学的研究重点,其理论研究涉及广泛,与近代电测技术、材料科学、气体放电理论等多学科都有普遍联系。静电是一种能源,不过辩证法说物质具有两面性,在它带给我们方便的同时,由静电所引起的麻烦与不便,也时刻困扰着我们。在冬季寒冷的北方,人们时常会因为接触金属门把,引起人体静电放电,很多时候这不会对人造成危害,不过对带有电子器材(例如:心脏起搏器等)的人是十分危险的,有可能引起效用失灵。在实验室里,静电作用可能会降低精密实验器材的灵敏度,给实验测量带来不必要的误差影响。现代工业中对高分子材料的使用日渐增多,由此带来的静电危害问题愈来愈严重。某些高分子材料制品的迅速更新换代以及高度自动化的生产方式,都是静电能高度累积的原因。除此之外静电敏感材料(如:轻质油品、固态电子器件等)的使用,也给了静电许多可乘之机,在相关领域造成了很严重的人员和财产的损失。静电放电会使得火箭和导弹发射失败或者自毁;也可破坏电子器件的使用寿命和安全,每年由此引起的损失就可高达上百亿美元;在太空飞行器中它破坏许多关键部件(粒子照相机、太阳能电池组等)的正常使用,大大缩短其使用寿命,给太空飞行器的正常运行带来麻烦,还会干扰各类航天飞行器与地面之间的信号联系,严重时会造成航天器失控[5]。

5 静电效应的应用

静电效应在基础物理中有着广泛的应用基础,特别是在处理复杂电场、同心球体等类型题中有着很好的效果,除此之外,其在生产生活中更是有着非常广阔的效用空间。

5.1 静电效应在基础物理中的应用

5.1.1 用唯一性定理解释静电屏蔽效应

唯一性定理指出:边界条件可以将空间里电场的恒定分布唯一确定下来。现给出简单证明如下:

给定M个导体,第 (M>)个导体上的总电量:

===,其中为导体的表面,代表表面电荷密度,代表法向。设对同一组边值 (=1、2、3…)有两种恒定电势分布和,即:

- = - = ,(=1、2、3…)

令 ,则- ,(=1、2,…)即等同于全部导体不带电时的恒定电势分布。由唯一性定理的引理可知:=常量或常量,而梯度不受其影响,即场强分布是一样的.只要各个导体中有一个的电势确定下来,其他导体以及空间的电势分布就可以唯一确定下来[2]。

取一任意形状的闭合金属壳接地。第一种情况:现从外面移过来若干正或负的带电体。若腔内无带电体,则其中。第二种情况:将带电体放进腔内,而壳外无带电体,则外部空间。今设想将两种情况合并,分析此时壳内外电场分布是否仍和一、二两种情况相同?

首先,讨论第一种情况,由于导体壳的静电屏蔽作用,它在腔内场强为零,此时腔内的环境和情况二相同,所以,可以产生预制相同的恒定分布。其次,当内部电场分布如情况二时,它在壳外产生电场,所以壳外带电体所处的环境和情况一相同,即可以产生相同的恒定分布。这说明壳内、外带电体同时存在时,若壳内、外的电荷和电场分别维持情况一和情况二相同的分布,是可以达到静电平衡的。由唯一性定理可知,两种情况的中的内部空间边界条件相同,从而不管外部是否带电荷,内部的稳定分布是唯一的,这便是壳对内部的静电屏蔽效应。

5.1.2 静电效应在处理物理习题中的应用

由导体的静电平衡条件出发,可以的到几个相关结论:

(1)导体是个等势体,导体表面是等势面。

说明:因导体内部的任何两点M、N之间的电势差可以表示为=,如果处处为零,则导体内部所有的点得电势相等,从而其表面是个等势面。

(2)导体以外靠近其表面的地方场强处处与其表面垂直。

例:金属球M被一同心的金属球N包围,分别给M、N两个导体以电量+6和+10,问N球壳的外表面带电多少?如图3所示。

我们可设想不让N球壳带有电荷,由于其内表面受到M球壳的静电感应必定要出现-6的电量,由电荷守恒定律可知,在它的外表面必定会出现+6的电量。由于内球M带正电,所以-6的电量被吸引到了N球的表面,而多余的那+6的电量将被排斥到外表面。这样外表面就会带+6的电量,当再给球壳N以+10的电量时,这些电荷将均匀分布在外表面上,最后使N壳的外表面共获得+16的电量。

5.2 静电效应在生产生活中的应用

5.2.1 静电集尘及喷涂

在某些特定工作区域(如矿场、生产车间)中空气漂浮物的含量很高,这会威胁到生产安全,静电集尘就是很好的除尘方式,楼层办公间及工厂车间中存在很多空气颗粒尘埃,它们在通过高压电场时,由于阴极不断放电、混合气体被电离成气体离子,带负电的离子向阳板运动,在这一过程中会与粉尘颗粒相碰,导致尘粒荷带负电,在电场力的作用下使其向着阳极运动,它们在阳极放出电子并留在阳极板上。对于家庭用小型集尘器,为了减少由静电效应产生的臭氧给人们的身心健康带来威胁,通常采用正电晕放电的方式。根据社会发展需求,高性能,经济实用的电气集尘器技术得到不断地发展应用。

静电喷涂是在电气集尘原理上的一种开发应用。这种技术首先是将涂料微粒化,然后让其带有负电荷,被涂装的金属器件与大地相连,从喷嘴喷出的涂料粒子会沿着强电场的电力线移动,使涂料稳固的吸附在器件表面。静电涂料可有效减少资源的浪费,比传统操作相比,其喷涂效果有明显提高,静电喷涂还可以进行流水作业,大大提高生产效率。在家电电器、汽车以及各种类的电动机等的喷涂方面有广阔的应用空间。

5.2.2 静电摄影

静电摄影就是应用静电技术来记录静态图像,有很多操作手段,这里将其原理做简单介绍。将镀有硒膜的硒鼓板置于暗室,采用电晕放电的方式使其带电,然后将其完全曝光,能被光照射到硒膜会失去正电荷带上负电,之后再将带负电的着色剂均匀涂撒在膜上,着色剂由于硒膜上带正电的部分的吸引而牢牢吸附其上,在上面贴上带有正电荷的纸,复制着色剂形成的图案,经过加热定影就可以了,非常方便快捷,这类技术在复印机中被广泛采用。

5.2.3 静电选别

在金属板上放有混合粒子,利用放电技术使整个金属板带电。将金属板倾斜,导电性好的粒子失去的电子多,与金属板间的吸附力会降低,将会从金属板上不断滑落,而那些导电性弱的粒子就会停留在金属板上,通过这种技术即可进行不同粒子的筛选,其在农业生产中的广泛应用,是可以针对不同土质选取与之适应的良种。在矿石开采中,可以用来选别不同种类的矿石。还可以应用于食品加工,去除异物杂质提高品质等[6]。

5.2.4 静电杀菌

在实验室中,用漏泄试验变压器(输出负高电压,电压范围在0~60,电流0~2.5)可以产生高压静电,有静电放电产生臭氧,当臭氧达到一定浓度时,可以对霉菌等细菌的生长起到很好的抑制效果(臭氧是强氧化剂,它以氧原子的氧化作用破坏微生物膜的结构,以实现杀菌作用)。这在食品工程中有着广泛的应用[7]

6 结语

本文对静电效应基本原理及其传统性危害做了详细介绍,总结了其在电子工程中所产生的影响,而且对静电综合防治和实际应用做了对比。通过对已知知识的梳理和对课外知识的拓展,可以让读者更深刻的理解静电效应。

参考文献:

[1]程守珠,江之永.普通物理学[M].高等教育出版社,1998.

[2]赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].高等教育出版社,2003.

[3]闫迎利. 压电效应及其应用[J].阳师范学院报,2001.

[4]张彦芳.压电发电技术的应用和发展趋势[J].科技资讯,2010.

[5]仇明.静电的应用和危害[J].科技资讯,2008.

[6]刘尚合,宋学军.静电及其研究进展[J].自然杂志,第29卷.

[7]丹阳,李里特.高压静电场(HVEF)臭氧产生能力以及所产生的臭氧对毛霉菌的抑制作用[J].研究与探讨,2004.

 

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