第九章 4 静电的防止与利用

问题？

自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。

在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？

静电平衡

如图 9.4-1 甲，把一个不带电的金属导体ABCD放到电场强度为 E₀ 的电场中。由于静电感应，在导体 AB 侧的平面上将感应出负电荷，在 CD 侧的平面上将感应出正电荷。

导体两侧出现的正、负电荷在导体内部产生与电场强度 E₀ 方向相反的电场，其电场强度为 Eʹ（图 9.4-1 乙）。这两个电场叠加，使导体内部的电场减弱。在叠加后的电场作用下，仍有自由电子不断运动，直到导体内部各点的电场强度 E＝0 为止（图 9.4-1 丙），导体内的自由电子不再发生定向移动。这时我们说，导体达到静电平衡（electrostatic equilibrium）状态。处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0。

尖端放电

静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。并且在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，周围的电场强度越大。在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作空气的电离。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。 这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷（图 9.4-2）。这种现象叫作尖端放电。

将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板连接，保持与大地的良好接触，就成为避雷针（图 9.4-3）。当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的放电现象。

静电屏蔽

处于静电平衡状态的导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。如果放入静电场中的是一个空腔导体，电荷分布又有什么特点呢？

我们讨论带空腔的导体（图 9.4-4）。静电平衡时，内表面没有电荷，导体壳壁 W 内的电场强度为 0，即电场线只能在空腔 C 之外，不会进入空腔之内。所以导体壳内空腔里的电场强度也处处为 0。也就是说，无论导体外部电场是什么样的，导体内部都不会有电场。

导体壳的这种性质在技术上很有实用价值。把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为 0，外电场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。

演示

静电屏蔽

使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？解释看到的现象。用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，观察箔片是否张开（图 9.4-5）。这个现象说明什么？

实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用。野外高压输电线受到雷击的可能性很大，所以在三条输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来（图 9.4-6），使其免遭雷击。

静电的危害可能随时发生。例如，医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸……因此，静电的危害必须引起人们的警惕。

科学漫步

雷火炼殿

武当山位于湖北省西北部，其主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿（图 9.4-7），全部为铜铸鎏金。

雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新炼洗过一般，这就是人们所说的“雷火炼殿”奇观。

武当山重峦叠嶂，气候多变，云层常带大量电荷。金殿屹立峰巅，是一个庞大的优良导体。当带电的积雨云移来时，云层与金殿顶部之间形成巨大的电压，使空气电离，产生电弧，也就是闪电。强大的电弧使周围空气剧烈膨胀而爆炸，看似火球，并伴有雷鸣。

金殿顶部，除海马等屋脊上的装饰外，很少有带尖的结构，不易放电，所以能使电压升得比较高，保证“炼殿”之需。如此，金殿五百年灿烂地屹立在天柱峰之巅。

近些年来因为金殿周围的一些建筑物常遭雷击，金殿也安装了避雷设施。此后，雷火炼殿的奇观消失了。没有水火的炼洗，金殿的色泽暗淡了许多。

静电吸附

静电虽然会有危害，但也可以利用。在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。这一原理在生产技术上被广泛应用。

静电除尘 设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来，这就是静电除尘。

如图 9.4-8，静电除尘器由板状收集器 A 和线状电离器 B 组成。A 接到几千伏高压电源的正极，B 接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到 B 上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极 A 上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。

静电喷漆 接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。

静电复印 复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体 （OPC）[1]。没有光照时，OPC 是绝缘体，受到光照时变成导体。复印机复印的工作过程如图 9.4-9 所示。

练习与应用

本节练习主要围绕静电平衡、尖端放电、静电屏蔽和静电吸附等现象设置，侧重于对静电现象的解释，体现了教科书对生活、生产中的静电现象的关注。第1题和第2题考查的是静电吸附问题。第3题和第5题考查静电屏蔽在生活中的应用。第4题考查的知识点是尖端放电现象。

1．静电给人们带来很多方便，但有时也带来很多麻烦，甚至造成危害。例如 ：印刷厂里，纸张之间摩擦带电，会使纸张吸附在一起，给印刷带来麻烦 ；印染厂里染织物上带静电，会吸附空气中的尘埃，使印染质量下降 ；制药生产中，由于静电吸引尘埃，使药品达不到预定纯度。

要采取措施防止以上事例中静电的影响，你会怎么做？

参考解答：将导线接地或用其他工具，将生产过程中产生的静电导走，就可以解决相关问题。

2．在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图 9.4-10，一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。

起电机摇动时，塑料瓶内哪里电场强度最大？是锯条附近还是金属片附近？若锯条接电源负极，金属片接正极，这些烟尘最终到哪里去了？

参考解答：锯条附近电场强度最大。烟尘最终到接正极的金属片上了。

提示：锯条附近电场强度最大。因为静电平衡的导体，尖端电荷更密集，所以电场强度更大。

烟尘最终会到接正极的金属片上。因为空气被电离后形成的自由电子吸附到烟尘上，使烟尘带负电，带负电的烟尘受到静电力的作用会运动到接正极的金属片上。

3．超高压带电作业的工人穿戴的工作服（图 9.4-11），为什么要用包含金属丝的织物制成？

参考解答：因为超高压输电线周围存在很强的电场，带电作业酌工人直接进入这样的强电场会有生命危险。如果工人穿上包含金属丝的织物制成的工作服，这身工作服就像一个金属网罩，可以起到静电屏蔽的作用，使超高压输电线周围的电场被工作服屏蔽起来，工人就可以安全作业了。

4．在燃气灶和燃气热水器中，常常安装电子点火器，接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体。点火器的放电电极是钉尖形（图 9.4-12）。这是为什么？与此相反，验电器的金属杆上端却固定一个金属球而不做成针尖状，这又是为什么？

参考解答：点火器的放电电极做成钉尖形是为了利用尖端放电现象，使在电压不高的情况下也容易点火。验电器的金属杆上端固定一个金属球是为了防止出现尖端放电现象，使验电器的电压较高时也不会放电（漏电）。

5．当我们使用有线话筒扩音时，有些由于周围环境中的静电现象或其他原因产生的电信号会通过话筒线混入功率放大器中进行放大，影响扩音的效果。因此，很多优质的话筒线在构造上都采取了防备措施。请观察图 9.4-13 的话筒线，你知道它采用了什么方法防止干扰信号从话筒线上侵入吗？

参考解答：给话筒线套上金属外衣，可以起到静电屏蔽的效果，防止干扰信号从话筒线上入侵。

发布时间：2020/6/14 下午3:18:40  阅读次数：6084