第1章靜電的基本概念1.1物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)1.2靜電的定義及特點(diǎn)1.3靜電工程學(xué)的建立思考題習(xí)題

1.1物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)1.1.1電荷與電荷守恒定律電性是物質(zhì)的基本特性之一。兩種不同材料的物體，例如干燥的絲綢和玻璃互相摩擦后，都具有吸引毛發(fā)、羽毛、紙屑等輕小物體的性質(zhì)。物體有了這種吸引輕小物體的性質(zhì)，就說明它帶了電荷。帶電的物體稱為帶電體。使物體帶電的過程叫起電，上述用摩擦的方法使物體帶電的過程叫摩擦起電。實(shí)際上，摩擦起電本身并不是一種單一的起電方式，而是包含多種起電機(jī)理在內(nèi)的復(fù)雜過程。

實(shí)驗(yàn)證明，物體所帶電荷有且只有兩種：

將一系列物體按如下的順序排列起來：玻璃、人發(fā)、尼龍絲、羊毛、絲綢、紙、麻、鋼、合成橡膠、腈綸、聚乙烯，從中取任意兩個(gè)物體摩擦，則前面的物體帶正電，后面的物體帶負(fù)電(但應(yīng)注意，這個(gè)排列順序往往受物體的表面狀態(tài)和環(huán)境溫濕度的影響)。(1)(2)一種是與絲綢摩擦過后玻璃棒所帶電荷相同，叫正電荷；另一種是與玻璃棒摩擦過的絲綢所帶電荷相同，叫負(fù)電荷。

物體帶電的實(shí)質(zhì)究竟是什么？下述一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，可以幫助我們了解這一問題。當(dāng)把負(fù)電荷逐漸加到一個(gè)原來帶正電的物體上去時(shí)，發(fā)現(xiàn)物體所帶電的正電荷先是逐漸減少以至完全消失，只有在完全失去正電荷之后，該物體才開始顯出帶負(fù)電的性質(zhì)；反之，一個(gè)原來帶負(fù)電的物體，也必須在負(fù)電荷逐漸減少以至完全消失后，才能帶上正電。由此可見，異號(hào)電荷可以互相中和。在摩擦起電中，兩個(gè)原來不帶電的物體，經(jīng)過摩擦后都帶了電，而且總是一個(gè)帶正電，另一個(gè)帶數(shù)量相等的負(fù)電。從這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)可以推想：原來不帶電的物體中也有正、負(fù)電荷，只不過正、負(fù)電荷同時(shí)存在且數(shù)量相等，因而不顯示電性。而要使物體帶正電或負(fù)電，就是使物體的正、負(fù)電荷分離，結(jié)果一個(gè)物體帶上正(負(fù))電荷，另一物體帶上負(fù)(正)電荷。當(dāng)這兩個(gè)物體接觸時(shí)，正、負(fù)電荷相互中和，兩物體都不再顯示出電性，但兩物體的電荷總量不變。

因此，電荷既不能被創(chuàng)生，也不能被消滅，它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另外一部分。在一孤立系統(tǒng)中無論發(fā)生怎樣的物理過程，系統(tǒng)的總電量(即正、負(fù)電量的代數(shù)和)恒保持不變。這就是自然界中守恒定律之一的電荷守恒定律。1.1.2物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)

1.電子及原子的核式結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明：電子是自然界具有最小電量(負(fù)電荷)的粒子，所有帶電體或其他微觀粒子的電量都是電子電量的整數(shù)倍。電子的電量e=1.602×10-19C，質(zhì)量e=9.1095×10-31kg，電子的半徑約為10-15m。由此可見，物體所帶電荷不是以連續(xù)方式出現(xiàn)的，而是以一個(gè)個(gè)不連續(xù)的量值出現(xiàn)的，這稱為電荷的量子化。然而，電荷的最小單元，即電子電量的絕對值e是如此之小，以致電荷的量子性在研究宏觀電現(xiàn)象時(shí)一般并不表現(xiàn)出來。

原子核外電子的運(yùn)動(dòng)遵守量子力學(xué)的規(guī)律。各電子的運(yùn)動(dòng)并沒有固定的軌道，但因每個(gè)電子的能量是量子化取值的，即電子是分布在一系列分立的能級(jí)上的，所以可等效地將它們看成是分布在不同的層次上，構(gòu)成所謂的殼層分布。由主量子數(shù)n

決定的殼層稱為主殼層，如對應(yīng)于n=1、2、3、4…的主殼層分別被稱為K、L、M、N…殼層；每個(gè)主殼層按副量子數(shù)的不同又分為若干分殼層，如s、p、d、f…。一般來說，主量子數(shù)n

越小的殼層，電子的能級(jí)就越低，因而也越穩(wěn)定；又因?yàn)槊總€(gè)殼層只能容納一定數(shù)量(2n2)的電子，所以電子總是優(yōu)先排列在最低能級(jí)的殼層上，排滿后再依次往能級(jí)較高的殼層上分布。如第一層容納2個(gè)電子，第二層容納8個(gè)電子，第三層容納18個(gè)電子，等等。

各種原子得失電子的能力，主要取決于原子最外殼層上的電子———價(jià)電子的勢能大小。而價(jià)電子勢能的大小又與原子的殼層結(jié)構(gòu)、原子半徑的大小和原子核內(nèi)質(zhì)子的多少有關(guān)。除惰性氣體外，原子最外殼層電子越少，核對電子的吸引力越小，就越容易失去電子。反之，原子最外殼層的電子越多，原子半徑越小或核內(nèi)質(zhì)子數(shù)越多，則得到電子形成穩(wěn)定電子層的能力越強(qiáng)。由此可見，物質(zhì)得失電子的能力亦即物體帶電的能力是與物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。

2.分子結(jié)構(gòu)分子是由原子組成的，是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小粒子。各原子間是靠一種被稱為化學(xué)親和力的相互作用而形成分子的，這種相互作用又可稱為化學(xué)鍵。

化學(xué)鍵分為離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵三種。

1)離子鍵當(dāng)電離能比較小的金屬原子和電子親合能比較大的非金屬元素的原子相互接近時(shí)，前者可能失去價(jià)電子成為正離子，后者容易得到電子成為負(fù)離子，正、負(fù)離子間由于存在著庫侖力而相互吸引，從而形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，稱之為離子鍵。由離子鍵所形成的化合物稱為離子型化合物。這種化合物的分子其等效正電荷中心與等效負(fù)電荷中心不相重合而帶有極性，故屬于極性分子。

2)共價(jià)鍵由共用電子對把兩個(gè)原子結(jié)合起來的化學(xué)鍵叫共價(jià)鍵。

3)金屬鍵金屬鍵是指自由電子和組成晶格的金屬離子間的相互作用。1.1.3導(dǎo)體和絕緣體、聚合物

1.導(dǎo)體能傳導(dǎo)電流的物體叫導(dǎo)體。從物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)可知，金屬由于其內(nèi)部有自由電子，所以是良好的導(dǎo)體。電解液也是導(dǎo)體，不過在其中發(fā)生電荷傳導(dǎo)的不是電子，而是溶解在溶液中的酸、堿、鹽等溶質(zhì)分子離解成的正、負(fù)離子，這種正、負(fù)離子稱為自由電荷。電離的氣體也是導(dǎo)體，起傳導(dǎo)作用的自由電荷也是正、負(fù)離子，但負(fù)離子往往是電子。

2.絕緣體幾乎不能傳導(dǎo)電荷的物體叫絕緣體，或稱電介質(zhì)，如空氣、木材、玻璃、石英、陶瓷、云母、塑料、橡膠、化纖等。電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是由共價(jià)鍵結(jié)合的氣體、液體和固體，由于原子核與電子對彼此緊緊束縛，不能產(chǎn)生自由電子或離子，故導(dǎo)電能力極弱。有機(jī)介質(zhì)材料的分子絕大多數(shù)由共價(jià)鍵結(jié)合。另一種是由離子鍵結(jié)合的固體化合物，在一般情況下，其電子被原子核緊緊束縛，正、負(fù)離子也緊密結(jié)合在一起，因此缺乏自由電子或離子而表現(xiàn)為絕緣體。

從靜電災(zāi)害及其防止的角度來看，研究電介質(zhì)電結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有十分重要的意義。

3.聚合物聚合物又稱高分子材料，是指分子量在103~106之間的高分子化合物，而且通常是指碳?xì)浠衔锛捌溲苌飿?gòu)成的有機(jī)聚合物。聚合物的分子是由特定結(jié)構(gòu)的單元多次重復(fù)組成的。例如，聚苯乙烯的分子結(jié)構(gòu)為也可以寫成

式中，是聚苯乙烯分子的單元結(jié)構(gòu)，又叫鏈節(jié)；n是單元結(jié)構(gòu)重復(fù)的次數(shù)，又叫聚合度。鏈節(jié)相當(dāng)于一條長鏈里的一個(gè)環(huán)節(jié)，而聚合度則相當(dāng)于長鏈里環(huán)節(jié)的數(shù)目，因此聚合物也稱高聚物。應(yīng)當(dāng)指出的是，高聚物由于特殊的電結(jié)構(gòu)，畢竟不能等同于一般的電介質(zhì)。首先，高聚物大分子中原子間的結(jié)合主要是共價(jià)鍵(可稱為主價(jià)鍵)起作用，而范德華鍵和氫鍵(次價(jià)鍵)也起著重要的結(jié)合作用。其次，直接影響固態(tài)高聚物性能的基本單元不是孤立的原子，也不是單個(gè)的鏈節(jié)，而是整個(gè)大分子的組成、構(gòu)型、構(gòu)象及分子聚集態(tài)等。同時(shí)，其導(dǎo)電性能還受合成、加工及使用條件的影響。對于高聚物，一方面因其具有易加工、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕等特殊功能，除可制成塑料、橡膠、纖維外，還可制成合成油料、涂料、黏合劑等，在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用十分廣泛；另一方面，高聚物材料一般又具有高絕緣性，極易產(chǎn)生和積累靜電，形成靜電危害源。因此在靜電防護(hù)的研究和實(shí)踐中，聚合物的防護(hù)占有很重要的地位。

對于高聚物

一方面因其具有易加工、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕等特殊功能，除可制成塑料、橡膠、纖維外，還可制成合成油料、涂料、黏合劑等，在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用十分廣泛；另一方面，高聚物材料一般又具有高絕緣性，極易產(chǎn)生和積累靜電，形成靜電危害源。

1.1.4物質(zhì)的電阻率(固體介質(zhì)的電阻率)物質(zhì)導(dǎo)電性能強(qiáng)弱如何定量地加以表征？這就要用到物質(zhì)電阻率(常用符號(hào)ρ)或電導(dǎo)率(常用符號(hào)γ)這兩個(gè)概念。物質(zhì)電阻率越小，其導(dǎo)電性能越好；而電導(dǎo)率定義為電阻率的倒數(shù)，即因此物質(zhì)的電導(dǎo)率越大，其導(dǎo)電性能越好。

1.導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率當(dāng)在導(dǎo)體兩端加上直流電壓U

時(shí)，通過導(dǎo)體的電流強(qiáng)度I、所加電壓U

及導(dǎo)體電阻R之間的關(guān)系為其中式中，L

是截面均勻的導(dǎo)體長度，S為橫截面積，而比例系數(shù)ρ稱為導(dǎo)體的電阻率在式(1.4)中，令S=1m2，L=1m，則ρ=R。

如前所述，電阻率的倒數(shù)稱為物質(zhì)的電導(dǎo)率，故導(dǎo)體的電導(dǎo)率為在SI制中電導(dǎo)率的單位是1/(Ω·m)，又寫為S/m。

2.固體介質(zhì)表面的電阻率和電導(dǎo)率如圖1.1所示，把固體介質(zhì)試樣置于面積為A、間距為d的兩個(gè)電極板之間，在兩極板之間加直流電壓U時(shí)，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)電情況與導(dǎo)體有很大的不同。圖1.1固體介質(zhì)導(dǎo)電示意圖既然介質(zhì)材料導(dǎo)電時(shí)所形成的電流有體積電流與表面電流之分，那么固體介質(zhì)的電阻相應(yīng)地也就分為兩部分。一部分是表征介質(zhì)內(nèi)部對體積電流阻礙能力的，叫體積電阻，以Rv表示；另一部分是表征對介質(zhì)表面電流阻礙能力的，叫表面電阻，以Rs

表示。設(shè)固體介質(zhì)的總電阻為R，則由此敘述可得出如下關(guān)系式：

將式(1.7)中四個(gè)方程式聯(lián)立，可求得

必須指出：Rv

和Rs

不僅與介質(zhì)本身的特性有關(guān)，還與介質(zhì)的形狀、尺寸有關(guān)。為了更本質(zhì)地表征介質(zhì)內(nèi)部和表面的導(dǎo)電性能，并對不同介質(zhì)泄漏電荷的能力加以比較，應(yīng)采用與試樣尺寸、形狀無關(guān)的量。仍由圖1.1可見，介質(zhì)試樣的體積電阻Rv

的大小應(yīng)與試樣沿Iv

方向的長度，即試樣的寬度d

成正比，而與試樣的面積A

成反比，可表示為式中的比例系數(shù)ρv

稱為介質(zhì)材料的體積電阻率，它是本質(zhì)地表征介質(zhì)材料內(nèi)部導(dǎo)電能力(或泄漏靜電能力)的物理量。

仍由圖1.1可見，如果表面電流為Is

的電流通道的寬度為b，則介質(zhì)試樣的表面電阻Rs

應(yīng)與試樣沿Is

方向的長度d成正比而與b成反比，可表示為式中的比例系數(shù)即為介質(zhì)材料表面的電阻率，它是表征介質(zhì)材料表面導(dǎo)電能力(或泄漏靜電

能

力)的

物理量。

有時(shí)還使用質(zhì)量電阻率ρm

的概念，它是指介質(zhì)材料的體積電阻率ρv

與材料質(zhì)量密度D

的乘積，即在SI制中，ρm

的單位是·kg/m2。

已如前述，物質(zhì)電阻率的倒數(shù)被定義為電導(dǎo)率。由于固體介質(zhì)有體積電阻率和表面電阻率之分，故其電導(dǎo)率也相應(yīng)地分為體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率兩種。

在SI制中，體積電導(dǎo)率的單位是1/(Ω·m)，即S/m(每米西門子)，表面電導(dǎo)率的單位是1/Ω，即S(西門子)。同樣，為了區(qū)分表面電導(dǎo)和表面電導(dǎo)率，表面電導(dǎo)率的單位寫為S/□(每方塊西門子)

3.固體介質(zhì)導(dǎo)電的微觀機(jī)制

1)微觀結(jié)構(gòu)和解釋材料導(dǎo)電性是由于物質(zhì)中有能夠傳遞電荷的載流子，對于金屬導(dǎo)體來說，載流子就是自由電子。固體介質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)制比較復(fù)雜，按載流子的不同可分為電子導(dǎo)電傳導(dǎo)和離子導(dǎo)電傳導(dǎo)兩種類型。電子導(dǎo)電傳導(dǎo)的載流子就是電子和空穴，離子導(dǎo)電的載流子就是正、負(fù)離子。離子導(dǎo)電又可分為本征離子導(dǎo)電和雜質(zhì)離子導(dǎo)電兩種，所謂本征離子，是指由組成介質(zhì)的基本分子離解而產(chǎn)生的離子，雜質(zhì)離子則是指外來雜質(zhì)分子，如水、酸、堿、鹽等或組成介質(zhì)的基本分子老化生成物離解而生成的離子。從微觀角度看，介質(zhì)材料的體積電導(dǎo)率為式中，n

為載流子的濃度(m-3)，q為每個(gè)載流子所帶電量(C)，μ為載流子的遷移率(m2/Vs)。

2)離子導(dǎo)電型介質(zhì)的導(dǎo)電特點(diǎn)離子導(dǎo)電型介質(zhì)的導(dǎo)電性除與載流子濃度和遷移率有關(guān)外，還與外界環(huán)境有關(guān)，表現(xiàn)為下面兩個(gè)方面。(1)其導(dǎo)電能力隨壓力的增大而減少。這主要是因?yàn)槭┘釉诮橘|(zhì)上的壓力增大時(shí)，介質(zhì)特別是聚合物材料內(nèi)部的自由體和缺陷均會(huì)減少，這樣就妨礙了離子遷移和活動(dòng)能力。(2)其導(dǎo)電能力與溫度有較明顯的關(guān)系。可以證明：固體介質(zhì)的體積電導(dǎo)率與絕對溫度之間滿足下面的關(guān)系：式中，A和B是由電介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)所確定的兩個(gè)常數(shù)。

4.影響固體介質(zhì)電阻測試結(jié)果的因素

1)環(huán)境溫、濕度的影響2)測試電壓的影響3)測試時(shí)間的影響4)外界干擾帶來的影響5)電極與試樣接觸狀態(tài)的影響典型固體介質(zhì)的體積電阻率如表1.1所示。1.1.5液體介質(zhì)的電阻率液體介質(zhì)主要是體積帶電，其導(dǎo)電性能可以用體積電阻率和體積電導(dǎo)率表征。又因體積電導(dǎo)率比體積電阻率便于測量和讀數(shù)，故主要用體積電導(dǎo)率表征。液體電導(dǎo)率的SI單位是S/m，但工程上常采用“導(dǎo)電單位”(ConductiveUnite，CU)，其與S/m的換算關(guān)系為液體介質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)制按載流子的不同分為電子電導(dǎo)、離子電導(dǎo)和膠粒電導(dǎo)三種。在離子電導(dǎo)中，又按離子的來源不同分為本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)兩類。電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)機(jī)制與固體介質(zhì)類似。理論和實(shí)驗(yàn)都表明：一般工業(yè)純液體介質(zhì)在常溫下以雜質(zhì)離子電導(dǎo)為主要的導(dǎo)電機(jī)制，且體積電導(dǎo)率為同時(shí)液體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系也滿足：上面兩式中各量的意義與式(1.14)和式(1.15)相同。

現(xiàn)簡要說明所謂“膠粒電導(dǎo)”。在工程應(yīng)用中為改善液體介質(zhì)的某些物理化學(xué)性能，需在液體介質(zhì)中加入一定量的樹脂(如在礦物油中混入松香)，此時(shí)形成膠體溶液，其中膠粒在外加直流電壓(電場)作用下定向遷移形成的電傳導(dǎo)叫膠粒電導(dǎo)，又稱電泳電導(dǎo)。液體中電泳電導(dǎo)的大小與液體介質(zhì)的黏度(η)有關(guān)。用γd

表示與電泳電導(dǎo)相關(guān)的電導(dǎo)率，則有式中，C

是膠體溶液微觀狀態(tài)所確定的常數(shù)。式(1.17)說明：當(dāng)膠體狀態(tài)微觀溶液狀況不變時(shí)，其電導(dǎo)率與黏度成反比，這個(gè)結(jié)論稱為華爾頓定律。

典型液體介質(zhì)的體積電導(dǎo)率如表1.2所示。

1.2靜電的定義及特點(diǎn)

1.2.1靜電的定義

什么是靜電？比較傳統(tǒng)的說法是相對于觀察者靜止不動(dòng)的電荷叫靜電。還有一種說法，摩擦所產(chǎn)生的電荷就是靜電。這兩種說法如果作為靜電的定義來看都是不確切的，因?yàn)榫挽o電的產(chǎn)生方式而言，摩擦起電只是其中方式之一，還有許多與摩擦本質(zhì)上無關(guān)的方法也能產(chǎn)生靜電。另外絕對靜止不動(dòng)的電荷也是不存在的，正如水總是由高處流向低處一樣，物體上或空間中的電荷也總是由高電勢向低電勢移動(dòng)。只不過移動(dòng)的速率隨電勢差和物質(zhì)電導(dǎo)率的大小而有很大的差異。

所以嚴(yán)格意義上可把靜電定義為：

相對于觀察者在物體上或空間里極其緩慢地移動(dòng)，以致其磁場效應(yīng)較之電場效應(yīng)可以忽略不計(jì)的電荷。由此可見，靜電與動(dòng)電(即電流，由電荷定向移動(dòng)后所形成)是相比較而言的。動(dòng)電主要表現(xiàn)出的是磁場效應(yīng)，而靜電則主要表現(xiàn)出電場效應(yīng)，它是一種相對穩(wěn)定或移動(dòng)極為緩慢的電，是物質(zhì)中正、負(fù)電荷局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果。靜電的作用僅僅取決于電荷的位置、分布、多少及周圍的環(huán)境，而電磁和電熱現(xiàn)象則主要取決于電荷運(yùn)動(dòng)的電流。1.2.2靜電的特點(diǎn)

1.對導(dǎo)體、絕緣體的劃分標(biāo)準(zhǔn)與流電不同從流電和電工學(xué)的角度來看，凡電阻率ρ<10-5(Ω·m)的物質(zhì)為導(dǎo)體；ρ>107(Ω·m)的物質(zhì)為絕緣體(電介質(zhì))；10-5(Ω·m)≤ρ≤107(Ω·m)的物質(zhì)為半導(dǎo)體，見表1.3。

從靜電特別是從防靜電危害的角度劃分，則與上述標(biāo)準(zhǔn)有很大的不同，具體說明如下：ρv≤1.0×106(Ω·m)(γ≥1.0×10-6S/m)的物質(zhì)以及ρs≤1.0×107Ω/□(γ≥1.0×10-7S/□)的固體表面稱為靜電導(dǎo)體。這類物質(zhì)具有較強(qiáng)的泄漏靜電的能力，除非使之完全對地絕緣，否則其上不會(huì)積累足夠的致害電荷。

ρv≥1.0×1010(Ω·m)(γ≤1.0×10-10S/m)的物質(zhì)以及ρs≥1.0×1011Ω/□(γ≤1.0×10-11S/□)的固體表面稱為靜電非導(dǎo)體。這類物質(zhì)泄漏靜電的能力很弱，其上容易積累足以致害的電荷。把1.0×106(Ω·m)<ρv<1.0×1010(Ω·m)(1.0×10-10S/m<γ<1.0×10-6S/m)的物質(zhì)以及1.0×107Ω/□<ρs<1.0×1011Ω/□(1.0×10-11S/□<γ<1.0×10-7S/□)的固體表面叫靜電亞導(dǎo)體，這類物質(zhì)泄漏靜電的能力介于靜電導(dǎo)體與靜電非導(dǎo)體之間。以上劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB12158—2006《防止靜電事故通用導(dǎo)則》，見表1.4。

理論和實(shí)驗(yàn)都表明，物質(zhì)的靜電帶電性能(如帶電電位)與其自身的電阻率密切相關(guān)，其對應(yīng)關(guān)系如表1.5所示。

基于上述對應(yīng)關(guān)系，靜電導(dǎo)體與非導(dǎo)體的劃分也可以物質(zhì)的帶電性能，即其帶電電位的大小作為分界的參考。把基本上不帶電的物質(zhì)稱為靜電導(dǎo)體，稍微帶電的稱為亞導(dǎo)體，明顯帶電的稱為非導(dǎo)體。需要注意的是，物質(zhì)的電阻率對其靜電性能的影響是一個(gè)漸變的過程，期間并不存在明顯的界限，所以不同國家或不同行業(yè)領(lǐng)域?qū)o電導(dǎo)體、非導(dǎo)體的界限規(guī)定也有所差別，但其劃分原則都是基于物質(zhì)泄漏靜電的能力或帶電的能力。

2.其他國家的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定

(1)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，見表1.6。

(2)日本《靜電安全指南》(日本勞動(dòng)省安全研究所編制的技術(shù)指南)的規(guī)定，見表1.7。

(3)美國軍方標(biāo)準(zhǔn)《保護(hù)電氣和電子元件、組件和設(shè)備的靜電放電控制手冊》的規(guī)定(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)DODHDBK263)，見表1.8。

(4)中華人民共和國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3007—97《防靜電工作區(qū)技術(shù)要求》，見表19。

(5)WilSon的分類法，見表1.10。

(6)工業(yè)粉體分類，見表1.11。

按照上述靜電導(dǎo)體、亞導(dǎo)體、非導(dǎo)體的劃分法，金屬以極低的電阻率自然應(yīng)屬于“極好的”靜電導(dǎo)體，但在工業(yè)生產(chǎn)中并未采用單純的金屬材料制造靜電防護(hù)制品，如金屬地坪、金屬貼面的工作臺(tái)、金屬制的元件盒、周轉(zhuǎn)箱等。這主要出于以下兩方面的考慮。首先，如果使用金屬制品作為各種防護(hù)用品，一旦操作者不慎接觸工頻電壓或硬接地時(shí)容易發(fā)生人身傷害事故；被絕緣的金屬制品一旦發(fā)生靜電放電，其能量會(huì)一次性地全部釋放，這種很大的放電能量更容易引發(fā)燃爆災(zāi)害事故，對電子元器件造成擊穿損害或電磁干擾損害；在金屬臺(tái)面上操作時(shí)電子元器件的管腳或印制板的連接導(dǎo)線會(huì)接觸導(dǎo)電金屬表面，從而會(huì)引起短路，造成損壞；金屬容器板堅(jiān)硬的表面幾乎不能為放置其中的物品受到的機(jī)械沖撞提供保護(hù)。

其次，衡量材料本身靜電性能的參數(shù)與衡量物體(制品)的靜電性能參數(shù)是不同的。表、體電阻率是衡量材料靜電性能的參數(shù)，表、體電阻則是衡量制品性能的參數(shù)。可能有人會(huì)問，為什么各國、各行業(yè)都采用電阻率作為劃分材料的參數(shù)？這是因?yàn)橄鄬τ谄渌笜?biāo)(如靜電位、電量、靜電半衰期等)，材料的表、體電阻率可在實(shí)驗(yàn)條件下按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，其可比性、可信度較高，同時(shí)測量方法也比較簡單。但盡管如此，各國測量材料表、體電阻率的方法也不盡相同。

3.靜電具有高電位、小電量、低能量的特點(diǎn)在一般工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備、工裝、人體上的靜電電位(或叫靜電壓，即對地的電位差)最高可達(dá)數(shù)萬伏至數(shù)十萬伏，在正常操作條件下，也常達(dá)到數(shù)千伏，這要比市用工頻電壓220V或380V高得多。表1.12和表1.13分別是通過實(shí)驗(yàn)得出的人體在活動(dòng)中產(chǎn)生的靜電電位和由于人體活動(dòng)造成的其他物體的靜電電位。

4.靜電較之流電在測量時(shí)重復(fù)性差、瞬態(tài)現(xiàn)象多靜電產(chǎn)生的方式是復(fù)雜多變的，同時(shí)靜電現(xiàn)象受物體的表面狀態(tài)、生產(chǎn)加工工藝條件的影響很顯著，靜電帶電量對環(huán)境條件的變化非常敏感。這里應(yīng)特別指出，環(huán)境相對濕度對物體帶電程度有影響，當(dāng)空氣濕度較高時(shí)，物體表面就容易形成一層極薄的水膜，加快了靜電的分散和泄漏，從而使物體帶電程度降低。圖1.2給出了環(huán)境相對濕度對人體靜電電位的影響，圖中曲線1、2、3分別給出了操作者在不同相對濕度條件下與合成織物、毛織物及防靜電織物接觸摩擦?xí)r可能發(fā)生的人體靜電電位。圖1.2環(huán)境相對濕度對人體靜電電位的影響1.3靜電工程學(xué)的建立1.3.1經(jīng)典靜電學(xué)的發(fā)展簡史自然科學(xué)史和物理學(xué)史告訴我們，人類對電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)最早是從研究靜電開始的，但在相當(dāng)長的一段歷史時(shí)期內(nèi)，人類對電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)基本停留在定性階段且進(jìn)展很緩慢，直到18世紀(jì)才有所改觀。1785年庫侖通過扭秤實(shí)驗(yàn)提出庫侖定律，這是靜電學(xué)的基本定律，也奠定了經(jīng)典靜電學(xué)的基礎(chǔ)。

到了20世紀(jì)三四十年代，上述狀況有了很大的改觀。

一方面隨著工業(yè)特別是石油、化工的高速發(fā)展，塑料、合成橡膠、化纖等高分子材料相繼問世，并且其應(yīng)用范圍日益廣泛。

另一方面隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對靜電敏感的材料及制品也越來越多，這就使得原來默默無聞的靜電在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常會(huì)給人們留下深刻印象，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致令人觸目驚心的危害。1.3.2靜電危害概論

1.靜電障礙靜電對工業(yè)生產(chǎn)的危害大體上可分為三類：

第一類是靜電障礙，即由靜電的力學(xué)效應(yīng)引起的吸附或排斥作用對被加工物體正常運(yùn)動(dòng)規(guī)律的干擾，由靜電放電效應(yīng)引起的電子元器件的擊穿損壞，放電噪聲對于電子設(shè)備造成的電磁干擾和損壞。以上危害稱為靜電障礙。靜電障礙的涉及面非常廣，幾乎遍及一切生產(chǎn)部門和國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。如粉體加工、塑料和橡膠制品成型、紡織、印刷、感光膠片以及電子、航空、航天等領(lǐng)域，其直接后果往往是降低產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2.對人體的靜電電擊

1)靜電電擊的概念人體的靜電電擊按照形成方式可分為兩種，

一是帶電的人體靠近接地點(diǎn)(即與大地相連的導(dǎo)體)時(shí)，由于帶電人體向接地體發(fā)生靜電放電，因而有電流從人體流向大地，從而引起的電擊；

二是不帶電的人體接近其他帶電體(無論是導(dǎo)體還是介質(zhì))時(shí)，由帶電體向人體發(fā)生靜電放電，因而有電流流過人體引起的電擊。無論是哪一種情況，都是由于雙方的電位差與間隙之比所得到的電場強(qiáng)度達(dá)到或超過了間隙(通常是空氣)的擊穿場強(qiáng)而發(fā)生靜電放電，所形成的瞬間放電電流在從人體流出或注入時(shí)，通過人體某些部位而引起電擊。

從本質(zhì)上看，靜電電擊與通常發(fā)生的工頻電擊是相同的，即都有電流流過人體，對其心臟、神經(jīng)或其他部位造成損傷。電擊的生理效應(yīng)隨電擊參量(如能量、電量或電流)的大小而不同，一般可分為三種：

一是電擊參量在某個(gè)值以上的人體剛好能感知電擊(感覺到刺激)，這個(gè)值稱為電擊的感知極限或感知閾值；

二是繼續(xù)增大電擊參量值，達(dá)到某個(gè)值時(shí)，人體在電擊處出現(xiàn)肌肉痙攣，有明顯的疼痛感(指人不愿意再次接受的疼痛，如蜂刺感或煙頭的灼痛感)，這個(gè)值稱為疼痛極限或疼痛閾值；進(jìn)一步增大電擊參量值，達(dá)到某個(gè)值時(shí)，人體的心室顫動(dòng)，血液循環(huán)受阻，從而導(dǎo)致人員喪生，這個(gè)值叫室顫極限或室顫閾值。

一般認(rèn)為室顫閾值用電擊電流可表示為30~50mA。那么這個(gè)數(shù)據(jù)是怎樣得來的？一般認(rèn)為，能引起人心室顫動(dòng)，進(jìn)而中止血液循環(huán)而使人喪生的電擊能量的臨界值為

Wm=I2Rrt=40.5J(阻止血液循環(huán)能量)

(1.18)式中，I

為通過人體的電流的有效值(A)，t為通過人體電流的持續(xù)時(shí)間(s)，Rr為人體電阻(Ω)，工程上一般取公稱值1.5kΩ。

由此可以得出電擊時(shí)能使人喪生的電流的臨界值為若取Rr=1.5kΩ，t=10s，則有關(guān)于工頻電源對人體的電擊程度，1980年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：感知閾值為0.6~3.5mA；疼痛閾值為8~20mA；室顫閾值為30~50mA。

對于靜電電擊來說，由于放電電流不可能長時(shí)間持續(xù)通過人體，而是一瞬間就消失了，且靜電放電能量也很小，所以只對人體造成沖擊性的電擊，而不會(huì)達(dá)到引起心室震顫，中止血液循環(huán)使人喪生的程度，故目前尚無電擊直接導(dǎo)致人員喪生的報(bào)道。靜電電壓造成的影響一般是痛覺和震顫，有時(shí)在生產(chǎn)現(xiàn)場也會(huì)產(chǎn)生指尖負(fù)傷或手指麻木等機(jī)能損傷。靜電電擊的危害再就是引起工作人員精神緊張，使工作效率下降，靜電電擊還可能造成手被機(jī)器軋壓或人員從高空墜落等所謂二次事故。

2)靜電電擊的感知閾值(感知極限)對于靜電電擊，我們主要討論其感知閾值，以此作為靜電電擊的安全界限。前已述及，由于靜電電擊中的電流是一種瞬時(shí)脈沖，所以，靜電電擊的各種閾值不像工程電擊那樣以電流進(jìn)行衡量，而是以放電電流對時(shí)間的積分量來表示。但是放電電量是電擊后的量，對于防止靜電電擊來說，這個(gè)量是不實(shí)用的，所以改用與這個(gè)放電電量相當(dāng)?shù)陌l(fā)生靜電放電前人體帶電電位或帶電體的帶電電位來表示靜電電擊的感知閾值。

那么當(dāng)放電量達(dá)到多大時(shí)人體就會(huì)有明顯的電擊感呢？理論和實(shí)驗(yàn)都表明，人體發(fā)生靜電電擊的電量約為0.3μC(即3×10-7C)，再把這個(gè)電量折合成放電前的靜電電位來表示，但必須區(qū)分以下兩種發(fā)生靜電電擊的不同情況。

(1)帶電人體向接地體放電。由于對于靜電而言人可視作導(dǎo)體，故這種放電可認(rèn)為是導(dǎo)體對導(dǎo)體的放電，其發(fā)生放電時(shí)，所帶電量(能量)一次性全部釋放，故可按公式

Q=CU計(jì)算與放電電量Q

相當(dāng)?shù)娜梭w靜電位，即若取Q=3×10-7C(人體靜電電擊的感知電量)，取人體電容C=100pF(人體電容的典型值為50~250pF，但有關(guān)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明，一般情況下，80%以上的人體電容在100pF左右，故工程上取C=100pF為人體電容的公稱值)，則可求出人體靜電電擊的感知極限(用帶電電位表示為Um=3kV)，這一結(jié)果是與有關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符的。

表1.14是由實(shí)驗(yàn)得出的帶電人體向接地體放電時(shí)，人體的靜電電擊感覺程度與人體帶電電位之間的關(guān)系，此處實(shí)驗(yàn)人體的電容為90pF(接近100pF)。

(2)帶電物體向人體放電。帶電物體向人體放電時(shí)，流入人體的放電電量需達(dá)到3×10-7C，人體才會(huì)有電擊感。但與這個(gè)放電電量對應(yīng)的物體的帶電電位與該帶電體是導(dǎo)體還是絕緣體有關(guān)，分為以下兩種情況。若帶電物體是導(dǎo)體，此時(shí)發(fā)生靜電電擊的帶電體的極限電位仍可由公式Um=Q/C

求出，此時(shí)Q

取3×10-7C，C為帶電導(dǎo)體的靜電電容，注意不是人體的靜電電容。也就是說，當(dāng)發(fā)生放電的導(dǎo)體電容不同時(shí)，相應(yīng)地使人有電擊感的導(dǎo)體靜電電位也不同。為方便起見，通常只得出產(chǎn)生靜電電擊的帶電導(dǎo)體的電位隨導(dǎo)體電容變化的曲線，如圖1.3所示，圖中直線上每一點(diǎn)對應(yīng)的是在一定的導(dǎo)體靜電電容量時(shí)，使人體產(chǎn)生靜電電擊的極限帶電電位。但無論在哪一組電容和帶電電位下，產(chǎn)生靜電電擊，由帶電導(dǎo)體流入人體的放電電荷量均為3×10-7C，即都等于人體靜電電擊的極限電量。圖1.3產(chǎn)生靜電電擊的帶電導(dǎo)體電位隨導(dǎo)體電容變化的曲線

由圖1.3可知：

①

直線上每一點(diǎn)對應(yīng)的電位U與電容C

的乘積即Q=CU=3×10-7C。

②

直線上方區(qū)域任一點(diǎn)對應(yīng)的U

與電容C的乘積即Q=CU>3×10-7C。

③

直線下方區(qū)域任一點(diǎn)對應(yīng)的U

與電容C

的乘積即Q=CU<3×10-7C。若帶電體是介質(zhì)(絕緣體)，因其放電具有脈沖性質(zhì)，且每次放電的能量又具有隨機(jī)性，所以不能像導(dǎo)體那樣以帶電電位表示，但一般認(rèn)為，當(dāng)絕緣體帶電電位約為10kV和電荷面密度為10μC/m2

時(shí)就會(huì)對人體造成電擊。應(yīng)當(dāng)指出：大量的實(shí)驗(yàn)表明，放電條件相同時(shí)，不同人的電擊感知閾值是有區(qū)別的，這主要取決于人的個(gè)體差異。

3.靜電放電火花作為高危場所的點(diǎn)火源第三類靜電危害是由于靜電放電火花使燃爆物質(zhì)燃燒、爆炸的事故。這些燃爆物質(zhì)包括可燃?xì)怏w、可燃液體的蒸氣、可燃性粉塵與空氣的混合物，它能帶來一次性的巨大損失，使生產(chǎn)設(shè)備和廠房被破壞，并造成人員傷亡。這類靜電危害是三類危害中后果最為嚴(yán)重的，又叫靜電災(zāi)害。靜電災(zāi)害不僅發(fā)生在石油、化工、采礦、粉體加工、火炸藥、電火工品等工業(yè)部門，也發(fā)生在油庫、加油站、液化石油氣站等場所，在某些特定條件下，飛機(jī)、汽車、輪船甚至賓館、醫(yī)院、家庭等處所也有可能發(fā)生這類事故。1.3.3靜電應(yīng)用技術(shù)

和任何事物都具有兩重性一樣，靜電并不只意味著危害，在一定條件下，人們也可應(yīng)用靜電現(xiàn)象和靜電原理開發(fā)出一系列造福人類的靜電應(yīng)用技術(shù)。自1907年科特雷爾將第一臺(tái)靜電除塵器成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來，就標(biāo)志著靜電應(yīng)用技術(shù)開始穩(wěn)步進(jìn)入了人類生活的領(lǐng)域。

靜電除塵是利用靜電力除去靜電荷塵顆粒的一種除塵裝置，它具有除塵效率高(可達(dá)99.5%，可除去1~10nm的超微塵粒)、耗電小、運(yùn)行費(fèi)用低，可處理高溫、高濕及高腐蝕性氣體(處理煙氣溫度高達(dá)500℃以上)等優(yōu)點(diǎn)。這些都是傳統(tǒng)的袋式除塵器所無法比擬的，因而目前已得到廣泛的應(yīng)用。

靜電噴涂技術(shù)是通過靜電力的作用，將微?；耐苛贤糠笤谖矬w上的過程。靜電噴霧技術(shù)是通過靜電力的作用使液體微?；挫F化的方法，