第 1 章 第 5 节 静电的利用与防护

静电现象在自然界普遍存在，雷电便是其中的一种（图 1 – 27）。在生产生活中也时常会发生静电现象。人们可让静电服务于生产生活，但也需对其进行防护，做到趋利避害。应该怎样利用或防护静电呢？本节将进行介绍。

图 1-27 雷电

1．静电的利用

静电在生产生活中有广泛的应用。下面介绍三类常见的静电利用案例。

（1）静电除尘

雾霾治理是近年来人们关注的热门话题。导致雾霾的原因很多，工业燃烧产生的烟雾是其形成的重要因素之一，而静电除尘能有效处理烟雾。

静电除尘是利用高压静电实现除尘，原理如图 1 – 28 所示。接高压电源负极的金属丝 A 悬挂于接电源正极的金属筒 B 中，当电压达到一定值时，金属丝（电晕极）与筒（收尘极）之间会形成很强的电场，使空气电离。大部分烟雾颗粒或粉尘在吸附电离所产生的负电荷后，在电场力作用下向金属筒运动，并落在金属筒上，通过除尘后的气体则从出口排出。与其他除尘方式相比，静电除尘耗能少、效率高，可广泛用于发电、冶金、水泥以及其他产生烟雾和粉尘的工矿企业。

图 1 – 28 静电除尘原理示意图

迷你实验室

模拟静电除尘

如图 1 – 29 所示，将铝片和铜丝放入去掉底部的矿泉水瓶中，用静电高压电源的负极连接铜丝，正极连接铝片，这样便制成了简易的静电除尘器。实验时，从矿泉水瓶底部充入烟尘，然后放到桌面上。接通电源，你会看到什么现象？请解释出现该现象的原因。

图 1 – 29 静电除尘模拟装置

（2）静电喷雾

静电喷雾是通过高压静电发生装置使喷出的雾滴带电的喷雾方法，广泛应用于农药喷洒或汽车、家电外壳喷涂等（图 1 – 30）。静电喷涂原理如图 1 – 31 所示，喷口上的金属导流管接高压电源负极，被涂工件接高压电源正极并接地，这样在喷口和工件之间便形成了较强的静电场。当涂料从输料管进入导流管的喷口时，由于导流管接上高压负极发生放电，周围产生密集的电荷，涂料微粒带上负电荷，在静电力和高压空气的作用下飞向工件，并均匀地吸附在工件表面。再经过干燥或加热，涂料固化成厚度均匀、质地坚固的涂层，这样喷涂工作便完成了。

图 1 – 30 静电喷涂

图 1 – 31 静电喷涂原理示意图

（3）激光打印

激光打印也是利用静电来实现“打印”的（图 1 – 32）。当使用者通过计算机应用程序下达打印指令时，激光打印机从 “充电”开始，先在感光鼓上充满负电荷或正电荷；然后将打印机处理器处理好的图文资料通过激光束照射到感光鼓上，感光鼓表面被激光照射到的地方的电荷被释放，没有照射到的地方仍然带有电荷，从而在感光鼓上形成与图文对应的潜像，即“曝光”；让碳粉匣中的碳粉带上与静电潜像电性相反的电荷，当快速转动的感光鼓上的静电潜像经过碳粉匣时，便会吸附带负电的碳粉，“显像”出图文影像；纸张进入机器内部后，由于异种电荷相互吸引，感光鼓上的碳粉就“转像”到纸张上；碳粉在高温下固定于纸张上，感光鼓上残留的碳粉也会被“清除”；最后除去静电，使感光鼓恢复到初始状态，以便开始下一个工作循环。

图 1 – 32 激光打印机的打印原理示意图

静电还有很多应用。某些空气净化器便是利用静电来吸附空气中的尘埃，使空气得以净化；用静电处理种子，可使种子抗病能力增强、发芽率提高；利用静电处理水，既能杀菌，又能减少水垢；静电放电产生的臭氧是强氧化剂，有很强的杀菌作用。近年来，静电还被应用于海水淡化、低温冷冻、人工降雨甚至宇宙探索等方面。

2．静电的防护

静电在某些情况下也会成为“隐形杀手”。防止静电危害的方法之一，是尽快把静电导入地下。

雷电是自然界常见的静电现象。当带电的云层接近地面时，地面上的物体因静电感应而带异种电荷，这些感应电荷更多分布在高大建筑物、大树等突出的物体上。当电荷积累到一定程度时，这些物体与云层间形成很强的电场，使空气电离，在云层与地面之间发生强烈的火花放电，这就是雷击。雷击会对地面上的建筑物、人等造成很大的危害。为避免雷击造成伤害，人们通常在高大建筑物上安装尖端导体——避雷针（接闪杆），并用符合规格的导线与埋在地下的接地装置连接起来。带电导体凸起而尖锐的地方电荷比较密集，其附近空间电场也较强，避雷针便是利用了这一特点。当带电云层接近时，避雷针上的感应电荷在其附近产生强电场，使避雷针与带电云层间的空气电离，电荷通过避雷针和符合规格的导线被直接引入大地（图 1 – 33），从而达到保护建筑物的目的。

图 1-33　避雷针工作原理示意图

物理聊吧

请观察建筑物上的避雷针（图 1 – 34），看它们是如何巧妙设计的，分析它们如何能安全引电避雷，它们的造型与建筑物是否协调，并与同学讨论交流。

图 1 – 34 古建筑上的避雷针

其实，生活中类似这样将静电导入地下的实例还有不少：在接触带有大量精密电子元件的电路板前，应先用手握一下金属水管或其他接地金属，把人体的静电导走；印刷车间空气应保持适当的湿度，以便于导走纸页间相互摩擦产生的静电；油罐车车尾装有一条拖在地上的导电拖地带（图 1 – 35），以导走运输过程中油和油罐摩擦产生的静电，避免由此引起爆炸；加油站加油枪旁常有一个触摸式人体静电释放器，加油前用手触摸上面的金属球，可将人体的静电导走。

图 1 – 35 油罐车车尾装有导电拖地带

迷你实验室

尖端放电与人造闪电

所谓尖端放电，就是导体尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。将针形导体（如铁钉）固定在绝缘支架上并与起电机的连接杆连接，把蜡烛点燃后放在针尖前。摇动起电机，你会发现蜡烛的火焰朝背离尖端的方向偏斜，好像被风吹动一样，这就是“电风”现象。这是因为，针尖处电荷分布最密集，附近电场强度最强，在强电场作用下，针尖与蜡烛间的空气电离，与尖端电性相同的电荷被排斥从而远离尖端，与尖端电性相反的电荷被吸引并与尖端上的电荷中和，从而形成“电风”，把蜡烛火焰吹向一边［图 1 – 36（a）］，甚至可能吹灭。

再来看看出现火花的尖端放电现象。两个针形导体固定在两个绝缘支架上，将连接这两个导体的两条导线分别与起电机的两个连接杆相连。调整两针尖的距离，摇动起电机，可看见两针间出现火花放电，就像闪电一样［图 1 – 36（b）］。你能解释这种“闪电”是怎样产生的吗？

图 1 – 36 尖端放电实验

素养提升

能了解库仑定律、电场强度的内涵，会用电场线描述电场，知道电场是一种物质；能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象，能分析生产生活中的静电现象，有关于静电的利用与防护的实际行动。具有与静电力、电场强度相关的相互作用观念和物质观念。

能对公众利用和防护静电的一些行为发表自己的观点，有进行科学普及的兴趣和责任感。

——物理观念，科学态度与责任

拓展一步

静电平衡与静电屏蔽

如果将导体放在电场强度为 E_外 的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会沿与电场强度相反的方向运动。这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这便是静电感应现象。由于电荷重新分布，导体内部会形成一个与外电场方向相反的电场，电场强度为 E_内 。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于 E_外 和 E_内 的叠加。当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再定向移动。物理学中将导体中没有电荷定向移动的状态称为静电平衡。

处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零（图 1-37）。由此可知，处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时内部合场强为零。这样，导体的表面就会对它的内部起到“保护”作用，使其内部不受外部电场的影响。这种现象称为静电屏蔽。

你能根据静电平衡与静电屏蔽的知识，解释静电屏蔽为何能隔离静电干扰，保护高压带电作业者（图 1-38）的安全吗？

节练习

1．如图所示，在装载作业中，靠近传送带的工人容易受到电击，请解释原因。用什么办法可以解决此问题？

参考解答：因为在传送物体的过程中，传送带与物体间相互摩擦，会产生静电，而靠近传送带的人体因为感应也带上电。解决方法可采取把传送带接地。

2．有研究表明，人若长期处于静电环境中，身心会受到伤害。了解一下你周围可能有哪些静电现象，可采取哪些方法减小静电的危害。

参考解答：冬天脱毛衣时会看到亮光，听到“咔咔咔”的声音；梳头发时头发会炸开。

方法。（1）适当增加居室中的湿度；（2）梳头时将梳子沾水后再梳头发；（3）常洗手、洗脸、洗澡，也能消除人体表面聚集的电荷和带电尘埃。

3．静电除尘器除尘原理如图所示。尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向收尘极迁移并沉积，以达到除尘目的。下列表述正确的是

A．带电尘埃带正电荷

B．电场方向由收尘极指向电晕极

C．带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同

D．在同一位置，带电荷量越多的尘埃所受电场力越大

参考解答：BD

4．在下列各种措施中，属于利用静电的是

A．静电除尘

B．静电喷雾

C．激光打印

D．在高大的建筑物顶端安装避雷针

参考解答：ABC

5．为防止静电的危害，下列做法正确的是

A．油罐车有一条拖在地上的导电拖地带

B．在加油站脱化纤衣物

C．尽可能保持印染厂空气的干燥

D．飞机机轮上装有搭地线或用导电橡胶制造的轮胎

参考解答：AD

6．利用静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近年来世界材料科学技术领域非常重要的技术之一。请上网查询静电纺丝技术的基本原理及其发展状况，并与同学交流。

参考解答：略

发布时间：2022/4/8 下午10:45:45  阅读次数：2881