第九章 第七节 静电的利用与防范

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 9–64  静电复印

 

随着科学技术的发展和各种用电器的普及，静电与人们的关系越来越密切。在生产和社会生活中，静电既有有利的一面，如静电除尘、静电喷雾、静电复印（图 9–64）等，也有需要防范的一面。

1．静电除尘

在工业生产中常利用静电以净化气体或回收有用尘粒。如图 9–65 所示为静电除尘装置及其示意图。在强电场 B 附近空气分子被电离为正离子和电子，电子奔向正极 A 的运动过程中遇到尘粒，使尘粒带负电被吸附到正极收集。这一装置常用于火力发电站收集烟气中的煤灰和粉尘，以及用于冶金业收集锡、锌、铅、铝等的氧化物。静电除尘也可以用于家庭除尘灭菌。

 

2．静电喷雾

静电喷雾的特点是形成带有电荷的雾滴。在工业生产中，静电喷雾技术可用于汽车、家电、仪表等外壳的喷涂。

如图 9–66 所示，静电喷雾的喷枪口上有金属导流管接高压负极，被涂工件接地作为正极，在喷口和工件之间形成较强的静电场。当高压空气将涂料从输料管送到喷口的导流管时，由于导流管连接高压负极使涂料微粒带上负电荷，在静电力和压缩空气的作用下飞向工件，并均匀地吸附在工件表面。经过干燥或加热，固化成厚度均匀、质地坚固的涂层，完成喷涂工作。

3．静电复印

现代电子技术的广泛应用给人们带来了许多方便，大大提高了工作效率。静电复印机具有简便、迅速、清晰、可扩印和缩印并可复印彩色原件等优点而被广泛应用。

如图 9–67 所示，当一张要复印的图像放在静电复印机的稿台上时，在机内灯光照射下，反射光通过光学系统在光导硒鼓上成像。光导硒鼓表面覆有光敏导体薄膜。光敏导体对光很敏感，没有光线时电阻大，能保持电荷；遇到光照电阻就急剧下降，将所带的电荷传走。光敏导体表面在充电极的作用下带有均匀的正电荷。图像的反射光形成的像就落在

光导硒鼓的光敏导体表面上。由于反射光有强有弱（与原稿图像的深浅对应），光敏导体的电阻相应发生变化。光敏导体表面的静电电荷也随光线强弱程度而不同程度地消失，在光敏导体膜层图上便形成一个相应的静电图像。但人们看不到它，好像潜藏在膜层内，故称“静电潜像”。

 

这时带负电的显影墨粉在电场力的作用下被吸附到光敏导体表面。潜像上吸附的墨粉量与潜像上电荷的多少相对应。于是，在光导硒鼓的表面显现出有深浅层次的墨粉图像。复印机将送来的复印纸充上比光导硒鼓表面更强的正电。当复印纸与墨粉图像接触时便将带负电的墨粉转移到复印纸上。再经定影器加热，墨粉便被融化并牢固地黏附在纸上，图像和文字就复印在纸上了。

 

虽然静电有许多用处，但静电的麻烦也不少。静电危害来源于带电体静电场的作用。例如飞机飞行时机体与空气、水汽、灰尘等微粒摩擦会使飞机带电，如果不采取措施，将会严重干扰飞机电子设备的正常工作；在印刷厂里，纸页之间的静电会使纸页黏合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦；在制药厂里，由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度。另外，还可能因静电火花点燃某些易燃物体而引发爆炸等事故。

1．良好接地

如图 9–68 所示，常见的油罐车尾的拖地链和加油机上的金属键盘等都是通过有效接地的方法把静电传入地下，以防止静电的积聚，避免静电放电的火花引发爆炸。飞机使用导电橡胶制作的轮胎，在着陆时静电通过导电轮胎及时传入大地，保证乘客和飞机的安全。

2．工艺控制

静电的产生与环境湿度和空气中的离子浓度存在密切的关系。因此，保持一定湿度，让静电通过潮湿空气转移出去是一种有用的防范措施。同时，与普通场合相比，在空气纯净的场所（如无尘车间）内，静电更易产生。同样的操作在不同的湿度下产生的静电电压可以相差许多。值得注意的是，并不是湿度越高越好，湿度过高会导致设备易结露水；因此湿度应控制在一个合理范围内。另外，在橡胶、纤维、纸张、涂料中，常采用不同工艺掺加抗静电剂，从而使材料具有持久的抗静电效果。

 

3．使用避雷针（接闪杆）

现代建筑物都装有避雷针。避雷针（接闪杆）的原理是尖端放电。如图 9–69 所示，在雷雨天气高楼上空出现带电云层时，高楼顶部会被感应上大量电荷。由于避雷针是尖的，在其周围形成强电场而导致尖端放电。这就是把空气击穿（电离）形成导电通路，使云层中积累的电荷通过避雷针导入大地，减少地面物受雷击的可能性。所以避雷针其实不“避雷”，反而是“接雷”，只不过是化强为弱，避免强雷电的破坏。

总之，静电利用是用电荷间的相互作用，而静电防范是让产生的电荷及时导走不产生积累。

本节编写思路

本节通过介绍静电除尘、静电喷雾和静电复印等的基本原理了解生产生活中静电的利用。

通过介绍良好接地、工艺控制和使用避雷针（接闪杆）等的基本原理，了解生产生活中静电的防范。

通过静电知识在生产生活中的广泛应用，感受理论联系实际、科学转化为技术的过程与方法，体验客观事物的两面性，树立趋利避害的观点，培养将物理知识转化为解决实际问题的能力。

认识物理学是对自然现象的描述与解释，激发学生学习杨理的兴趣以及对自然界的好奇心。这将有助于培养学生的科学态度与责任。

正文解读

节首图所示的静电复印机是一种常见的现代办公设备。

本节中激光打印和复印等利用静电现象的内容与此呼应。

 

静电除尘的主要机理是静电吸附，而口罩的过滤主要基于两种机理：机械过滤和静电吸附。机械过滤就是采用机械的方式将病毒等杂质微粒拦截下来。如果滤网上的孔做得足够小，例如小到 0.1 μm 就可以过滤掉空气中的绝大多数颗粒，可是这样过滤对气流阻力太大，会严重影响呼吸。一个解决办法就是把过滤层做得很薄来减小气阻，现在的很多纳米过滤膜都很薄，譬如口罩用的聚四氟乙烯纳米膜，薄到 10 μm以下；静电纺丝制备的纳米膜，一般也薄到 10 μm 以下。但是这样的薄膜强度很低，必须用强度更高的大孔无纺布等进行复合支撑。第二个办法就是使过滤材料具有静电吸附能力。带静电的物体可吸附轻小物体，在聚丙烯熔喷布中通过各种方法注入电荷，使熔喷布带上静电并长时间保持这一状态。当空气中的颗粒通过口罩时就会被增加的静电作用吸附上去，如图 13 所示，从而在不增大呼吸阻力的情况下，大大提高整体过滤效率。静电吸附对于机械过滤很难拦截的 0.1 到 0.4 μm 之间的颗粒过滤起到了至关重要的作用。今天的高质量医用外科口罩和医用防护口罩等正是基于以上这两种过滤机理，兼顾了低过滤阻力和高过滤效率。

 

这是一个实验型自主活动，其目的是体验静电复印的原理。

 

静电的其他应用可根据学生的基础与实际情况适当补充，以扩大学生的知识面，提高利用静电现象解决实际问题的能力。静电在生活中的应用，如压电打火机、电蚊拍、空气净化等；静电在生产中应用，如高压静电对白酒、酸醋和酱油的陈化有促进作用，使品味更纯正等；静电在生物医学技术中的应用，如口罩熔喷布的制备、静电纺丝等。

 

此处设置“大家谈”是因为可利用生活中常见的现象说明静电既有可以利用的一面，又有需要防范的一面。通过结合生活中的案例展开讨论，增加学生对静电的感性认识。

 

易于产生和积累静电的材料大多是高分子材料，这些材料的电阻率都很高，它们的静电泄漏往往很慢，在产生静电的工艺过程停止相当长一段时间后，其仍然有可能带有大量的静电，有可能会造成严重的事故。由于绝缘体上静电泄漏很慢，同一绝缘体的不同部位电势可能有所不同。绝缘体受潮后，其表面电阻减小，静电将交得容易泄漏。

问题与思考解读

1．参考解答：（1）防范静电     （2）防范静电     （3）利用静电     （4）防范静电

油罐车有一条铁链拖地、飞机轮胎用导电橡胶制作、汽车加油站的工作人员不能穿腈纶衣服都是防范静电，使积累的电荷迅速导离；而喷漆时让喷嘴喷出的油漆带上与工件异号的电荷是利用静电。

命题意图：了解生产生活中关于静电的利用与防护。

主要素养与水平：科学本质（Ⅱ）；科学态度（Ⅰ）。

 

2．参考解答：燃气灶的电子点火器的放电电极做成针尖形是因为电荷易集中于形状比较尖端的地方，在其周围形成强电场而导致尖端放电，使在点火器电源（电池）电压不高的情况下也容易点火；静电计需要大量电荷均匀分布在表面以检测物体是否带电，所以做成球形以容纳更多电荷，防止出现尖端放电现象，使静电计在电压较高时也不会放电（漏电）。

命题意图：通过避雷针利用尖端放电防范静电的方法，能解释电子点火器和验电器涉及的物理现象。

主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学本质（Ⅱ）。

 

3．参考解答：电蚊拍是利用高压放电现象杀死蚊子的，电蚊拍中的电子线路使中间层金属网处于高电势，外层金属网处于低电势。当蚊子碰到内外层金属网时形成短路，虽然通过蚊子的电荷量不多，但足以将蚊子烧焦灭除。

命题意图：通过电蚊拍灭蚊原理的分析，了解静电在生产生活中的应用，培育科学态度。

主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学本质（Ⅱ）。

资料链接

静电屏蔽

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。空腔的导体静电平衡时，内表面没有电荷，导体壳壁内的电场强度为零，即电场线只能在空腔之外，不会进入空腔，所以导体壳内空腔里的电场强度也处处为零，即导体壳可对它的内部起“保护”作用，使内部不受外部电场的影响，此方法称为静电屏蔽。

生产、生活中静电的电压和能量

生产、生活中某些情况下，静电会产生较高电压，如人在干燥的地毯上行走、冬季脱毛衣，消耗的能量却极为有限。微小的能量为何能产生这样高的电压呢？原来两导体之间电压与其上电荷量和电容间存在关系 U = \(\frac{Q}{C}\)。以平行板电容器为例，电容的大小为 C = \(\frac{{{ \varepsilon _r}S}}{{4\pi kd}}\)，如果介电常数 ε_r 极板面积 S 保持不变，则电容 C 与极板间距离 d 成反比。两物体紧密接触时，因摩擦起电形成的电压很小；当两物体迅速离开时，例如距离增大为原来的 40 万倍，则电容减小为原来的 40 万分之一；如果分离前后物体上的电荷量保持不变，电压将升高为原来的 40 万倍。因此，数万伏的静电电压并不足为奇。正因为静电电压在很大程度上取决于电容，以致同一带电体的电势随位置的变化而变化。

静电的高压特征主要来自电容，而不是来自电荷量。测量表明．在局部范围内，生产工艺过程中产生的静电电荷量一般都是微库级的。工艺过程中所产生的静电能量一般在毫焦级，但微小的静电放电能量也可能引燃很多易爆性混合物，因此，加油站、面粉厂等场所都需要防范静电可能带来的危害。

导体表面电场与表面曲率的关系

电荷在导体表面的分布不但与自身形状而且与外界条件有关。只有孤立导体的电荷分布才能由自身的形状及电荷量决定。对孤立的带电导体来说，电荷分布有以下规律，导体表面电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关，在孤立导体表面，向外凸出尖端的地方（曲率为正且较大），电荷面密度较大；表面较平缓的地方（曲率较小）电荷面密度较小；表面向里凹进的地方（曲率为负）电荷面密度最小。根据高斯定律可知，导体表面电场强度与电荷面密度成正比。例如，一孤立的一头大一头小的卵形带电导体表面附近的等势面和电场线分布图如图 14 所示。