靜電起電基本概念
靜電起電包括使正、負電荷發(fā)生分離的一切過程,如通過固體與固體表面、固體與液體表面之間的接觸、摩擦、碰撞,固體或液體表面的破裂等機械作用產(chǎn)生的正、負電荷分離;也包括氣體的離子化、噴射帶電以及在粉塵、雪花和暴風雨中的帶電現(xiàn)象。
如何科學地解釋靜電起電的微觀機制,仍是目前該研究領(lǐng)域的疑難問題之一。目前學術(shù)界比較統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)是“接觸——分離”起電理論。
接觸過程是形成偶電層的過程,物體帶電的正、負極性被認為是由這個過程來決定的;
分離就是使已經(jīng)接觸的兩種物體分開,這一過程伴隨著靜電電容的減小和電位的升高。實際上,在這一過程中物體所帶的電荷會消散、被中和一部分,后來觀察到的帶電量由這一階段決定。分離的瞬間,分離處局部電場強度劇烈增加,促使物體間電荷倒流,發(fā)生傳導(dǎo)中和效應(yīng),偶電層發(fā)生畸變。這種現(xiàn)象與材料的電導(dǎo)率關(guān)聯(lián)性很強,對于導(dǎo)體材料,傳導(dǎo)中和效應(yīng)明顯;對于非導(dǎo)體材料,傳導(dǎo)中和效應(yīng)很弱,甚至沒有。
其它起電方式
固體的靜電起電方式除前面講述的接觸-分離起電以外,還有多種其它起電方式
剝離起電
互相密切結(jié)合的物體剝離時引起電荷分離而產(chǎn)生靜電的現(xiàn)象,稱為剝離起電。
破裂起電
當物體遭到破壞而破裂時,破裂后的物體會出現(xiàn)正、負電荷分布不均勻現(xiàn)象,由此產(chǎn)生的靜電,稱為破裂起電。
? 電解起電
當固體接觸液體時,固體的離子會向液體中流動,這使得固、液分界面上出現(xiàn)電流。固體離子移入液體時,留下相反符號的電荷在其表面,于是在固、液界面處形成偶電層。若在一定條件下,和固體相接觸的液體移走,固體就留下一定量的某種電荷。
? 壓電起電
在給石英等離子型晶體加壓時,會在它們表面上產(chǎn)生極化電荷。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因是這些晶體的電學上各向異性。
? 熱電起電
若對顯示壓電效應(yīng)的某些晶體加熱,則其一端帶正電,另一端帶負電。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)
? 介質(zhì)的感應(yīng)起電
感應(yīng)帶電就是帶電物體的電場,在鄰近的物體上造成電荷的分離,靠近帶電物體的表面,會出現(xiàn)與帶電體電荷極性相反的感應(yīng)電荷。
? 吸附起電
空氣中的浮游帶電粒子被物體表面的偶極子吸引且附著在物體上時,整個物體就會有某種符號的過剩電荷而帶電。
? 噴電起電
當原來不帶電的物體處在高電壓帶電體附近時,由于帶電體周圍特別是尖 端附近的空氣被擊穿,出現(xiàn)空間放電或者接觸放電現(xiàn)象,結(jié)果使原來不帶電的物體帶上與該帶電體或電源具有相同符號的電荷,這種起電方式叫做噴電起電。
靜電放電
靜電放電指帶電體周圍的場強超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強時,因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體上的靜電荷部分或全部消失的過程。
既有靜電能量的傳導(dǎo)輸出,也有電磁脈沖場的輻射。產(chǎn)生瞬時脈沖大電流,可達到幾十甚至上百安培。
總體呈現(xiàn)為一個隨機的動態(tài)過程,會受氣候、環(huán)境等條件的影響。常常使得研究者難以捉摸。
靜電放電的類型
根據(jù)靜電放電的特點,并從防止靜電危害方面來考慮,放電類型可分為七種。
(1) 電暈放電
電暈放電也叫尖 端放電,是發(fā)生在極不均勻的電場中,空氣被局部電離的一種放電形式。發(fā)生電暈放電的電極或帶電體附近的電場較強,電暈放電是一種高電位、小電流、空氣被局部電離的放電過程。在放電中,它產(chǎn)生的電流很小,約在1μA到幾百個μA之間,因此一般不具備引燃、引爆能力。
(2) 火花放電
當靜電電位比較高的靜電導(dǎo)體靠近接地導(dǎo)體或比較大的導(dǎo)體時,便會引發(fā)靜電火花放電。靜電火花放電是一個瞬變的過程,放電時兩放電體之間的空氣被擊穿,形成“快如閃電”的火花通道,同時還伴隨著劈劈啪啪的爆裂聲,爆裂聲是由火花通道內(nèi)空氣溫度的急遽上升,形成的氣壓沖擊波造成的。在發(fā)生靜電火花放電時,靜電能量瞬時集中釋放,其引燃、引爆能力較強。另外靜電火花放電產(chǎn)生的放電電流及電磁脈沖,具有較大的破壞力,它可對一些敏感電子器件和設(shè)備造成危害。
(3) 刷形放電
這種放電往往發(fā)生在導(dǎo)體與帶電絕緣體之間,帶電絕緣體可以是固體、氣體或其他低電導(dǎo)率的液體。刷形放電時,形成的放電通道在導(dǎo)體一端集中在某一點上,而在絕緣體一端有較多分叉,分布在一定空間范圍內(nèi)。
(4) 傳播刷形放電
傳播刷形放電又被稱之為沿面放電,僅在絕緣體的表面電荷密度大于2.7×10-4C/m2時較易發(fā)生。一般情況下,傳播刷形放電發(fā)生在絕緣材料與金屬之間,放電通道沿絕緣材料的表面進行。它釋放的能量很大,有時可達數(shù)焦耳,引燃、引爆能力極強。在氣流輸送粉料和大型容器的罐裝時,如果容器的材料為絕緣材質(zhì)或帶有絕緣層的金屬材質(zhì)時,可能發(fā)生傳播刷形放電。
(5)大型料倉內(nèi)的粉堆放電
粉堆放電一般可能發(fā)生在容積達到100m3或更大的料倉中。當把絕緣性很高的粉體顆粒,由氣流輸送經(jīng)過管道和滑槽進入大型料倉時,在沉積的粉堆表面可能發(fā)生強烈的放電,放電能量可達到10mJ。粉料沉積后,粉堆電量迅速增加,表面的場強也相應(yīng)的增強。當場強增加到一定程度時,首先在粉堆的頂部產(chǎn)生空氣的電離,形成從倉壁到粉堆頂部的等離子體導(dǎo)電通道,產(chǎn)生粉堆與倉壁之間的靜電放電,一般來說,料倉體積越大,粉體進入料倉時流量越高,粉粒絕緣性越好,就越容易形成粉堆放電。
(6)雷狀放電
這是一種大范圍的空間放電形式。當初在火山爆發(fā)的塵埃中曾觀察到,近年來在實驗中也得到證實。但在實際工業(yè)生產(chǎn)中尚未發(fā)生過,有人通過試驗證實,認為容器體積小于60m3或柱形容器的直徑小于3m時,不會發(fā)生這種放電。
(7)電場輻射放電
電場輻射放電,依賴于高電場強度下氣體的電離,當帶電體附近的電場強度達到3MV/m時,這種放電就可能發(fā)生。放電時,帶電體表面可能發(fā)射電子。這種放電能量比較小,引燃引爆能力較小,出現(xiàn)這類放電的概率也小。