1、静电学手册第一册静 电 学 基 础静电的原理静电是怎样产生的静电特性静电电荷与电场电力线电容导体与绝缘体I 静电学基础 I-3I-1 静电产生的过程 I-3接触带电 I-3I-2 真实生活中静电的产生 I-4摩擦带电 I-4分离带电 I-5静电诱导 I-5极化 I-5I-3 电的性质 I-6静电特性 I-6电的特点 I-6I-4 电荷与电场的量 I-7库仑定律 I-7电场 I-8I-5 电力线 I-9高斯定理 I-9I-6 静电电容 I-11计算静电电容 I-11I-7 导体和绝缘体 I-13图1-1-1：原子水平上静电形成的过程原子的构造在一般情况下，原子由于有相同数量的质子和电子而是中性（
2、稳定）的，例如，5个质子（带正电）和5个电子（带负电）。如果两个物体接触并产生摩擦或分离时，一个电子从原子中跳出。因此，原子中有5个质子和4个电子。由于质子的数量更多，原子带正电。当电子进入其他原子时，该原子有5个质子和6个电子。由于电子的数量更多，原子带负电。一个物体包含带负电的电子，带正电的质子，中性或不带电的中子。在一般情况下，质子和电子的数量时相同的，使原子呈电中性。图1-1-2：由于接触产生的电荷的接触界面物体靠近接触分离当接触的物体分离时，某些移动到接触界面的电子会返回原来的位置。剩余的电子留在表面，导致静电。I-3I.静电学基础静电学手册I.静电学基础I-1 静电产生的过程根据物
3、体在地球上的自然状态，人们认为根本不存在不会产生静电的物体。组成它们的材料可能相同，也可能不同，状态可能是固态，液态或气态。比如说，闪电是一种由云里凝结的水汽颗粒之间的摩擦而产生的静电。当气体或液体急速通过管道或软管时，也会产生静电。这种静电可能会在各种行业中引发问题，比如清洗容器内部的时候产生爆炸，降低生产过程的效率，或者引起半导体设备的老化。那么，究竟是什么引发产生静电呢？图1-1-1以原子水平展示了静电产生的过程。接触带电所有的物体都是由原子组成的。原子内部的原子核由带正负电荷的电子组成。在一般情况下，原子的电子和质子的数量是相同的，保持一种电平衡，稳定的状态(0 V)。接触带电是一种由
4、物体之间接近，进而接触而带正负电荷的现象。换句话说，原子内的电子由于接触而开始移动。当负电子离开物体时，物体就带正电。这些电子遇到其他物体，其他物体就带负电。这就是静电产生的原因。在这期间，电子从约束力小的物体转移到约束力大的物体上，导致了电子随着接触界面而分离，如图1-1-2所示。对于电子的移动方式没有绝对的定义，一般认为决定物体带正电还是负电根据接触的两个物体之间电子能量的优先级决定。之后描述的静电特性表格就是用来说明这种优先级的规则的。图1-2-1：产生静电的主要原因1.当物体产生摩擦2.当接触的物体分离3.当气体或液体流过管道或软管在生产设施上，摩擦和分离在许多种日常生活中绝对意想不到
5、的情况下经常发生。结果，大量的静电在以上描述的过程中产生。I-4静电学手册I.静电学基础因此，当两个物体接触时，电荷的分离就会出现，导致产生静电。接触带电产生的电荷要比摩擦带电产生的电荷要小的多。然而在现实中，接触产生的电荷还是会造成一些静电的问题。例如，在塑料产品的注塑成形过程中，产品与模具的接触会产生大量电荷，在他们与模具分离是会在瞬间释放静电。如果成形的产品发生静电释放，就会在表面上留下释放的痕迹。这是由于在静电释放的过程中表面吸引了空气中的灰尘所致。这种接触带电可能会发展为摩擦带电或分离带电，从而引起更大的静电释放。I-2 真实生活中静电的产生在真实生活中，静电是由各种原因产生的，例如
6、薄膜和卷筒之间的摩擦，胶带的分离，物体的变性和破损，或者带电的粒子。如图1-2-1所示，静电会在各种情景，各种生产设备的各种流程中产生，而主要产生的原因就是重复的摩擦和分离。摩擦带电摩擦带电是由接触的表面共同摩擦引起的。这种带电现象会在1）绝缘体，2）绝缘体和导体，3）导体之间发生。与接触带电相比，它产生的电荷的量要大的多。这是由于表面的凹凸不平在一起摩擦，摩擦的新区域也在不断地增加。由于摩擦的区域不是完全相同，一直在或多或少地改变，接触区域增加导致产生了更大量地电荷。而且，也由可能长时间的摩擦使表面的灰尘或磨损消失而产生新的接触表面。表面材料的毁坏引起的温度上升也会大大影响带电的现象。当物体
7、摩擦时，摩擦的表面会放出电子，离子和中性分子。这种现象叫做“摩擦起电”，而且从摩擦开始以后会立即放出电子并且持续较长的一段时间。以上描述的接触带电是在不同材料之间发生的。相同材料的物体接触时不会产生电荷。然而，相同材料的物体可能通过摩擦而带电，如果它们的尺寸不同或表面状况不同（比如粗糙和光滑）。这被称为不均匀摩擦。不均匀摩擦的一个例子就是云中冰的粒子大小不一，因摩擦而产生静电释放或闪电的现象。图1-2-2：分离速度和电荷的关系的概念图电荷的量由分离速度决定。当分离较快时，电荷的数量增加；然而电荷最后会达到饱和。电荷的数量分离速度带电物体A导体B导体B带电物体A导体B带电物体A图1-2-4：当导
8、体接地时电子的移动提供带电物体A导体B吸收带电物体A导体B电子在导体内部能自由移动；然而，质子（带正电）不能移动且不能离开导体。I-5I.静电学基础静电学手册分离带电当接触的物体分开时，比如撕下胶带或去掉LCD玻璃基板上的保护薄膜，就会发生强烈的带电现象。这种现象和以上描述的“接触带电”实际上是相同的，但是一般称作“分离带电”，因为物体由分离而带电。接触的越紧密，电荷的密度就越高，就会导致放电。电荷的量由分离的速度决定。如图1-2-2所示，当分离缓慢的时候电荷较少，因为静电释放的规模较小。当分离速度快的时候，电荷增加，因为静电释放的次数较少。图1-2-3感应带电当带电的物体A靠近导体B时，面向
9、A的导体B表面就会带与A相反极性的电荷。当导体B接地的时候，与A相同极性的电荷就会传入地面。当此时与地面分离时，导体B就会带与A相反极性的电荷。静电诱导静电诱导是一种只有当物体导电时才会发生的现象。当带电的物体靠近导体时，导体的表面会带与物体相反极性的电荷。例如，当带正电的物体靠近导体时，导体内部的电子会移动，使负电荷出现在面对带电物体的导体表面上，而正电荷出现在另一端。这是由于集中在导体表面的电荷的一致化引起的，而这种状态被称作“诱导”。当导体在这种情况下接地时，与带电物体相同极性的电荷会被迫离开导体。换句话说，如图1-2-4所示电子通过地面补充或吸收，导体带上与物体所带极性相反的电荷。当与
10、地面分离且把物体从导体旁移开时，导体仍然带有与物体极性相反的电荷。这种现象被称作“静电诱导”。极化如果一个绝缘体靠近一个带电物体或者被放在电极之间并且有一定电压时，分子模型就会因电力而改变，因为绝缘体不导电并且绝缘体内部的电子无法移动。结果就是，绝缘体的某个部分带正电而其他部分带负电，但是绝缘体所带电荷的总量仍然接近于0V（两极带电）。这种现象被称作“极化”。尽管极化和感应看上去很相似，但即使当绝缘体接地时电子也不会离开物体，而且绝缘体不会像感应带电的情况那样带电。以上描述以外的情况，物体可能通过受力弯曲或变性而带电（比如用手指不断卷曲一束头发）。这是一种由变性或毁坏引起的带电现象。尽管物体的
11、表面可能因受力而带电，当应用力停止时电荷同时消失。这种电荷不会产生静电。然而，如果电荷吸引周围空气中的电荷的话，被吸引的电荷不会消失并且可能变成静电。空气人体玻璃尼龙毛皮铅丝绸铝棉钢木材琥珀镍，铜锡，银金，铂硫乙酸制品聚酯赛璐珞氨基化学品聚乙烯乙烯基制品硅树脂PFA正极(+)负极(-)即使同样材料的物体一起摩擦，也会一个带正电，一个带负电。这个情况下电荷的数量可能会比不同材料的物体摩擦时要少。表1-3-1：静电特性4.由于灰尘吸附涂层不规则。1.部件送料器被卡住。2.制品没有从模具上正确脱离或留在模具上。3.由于一块薄片粘住另一块，而错误传送了两块薄片。I-6静电学手册I.静电学基础I-3 电
12、的性质静电特性当两个物体由于接触或摩擦带电的时候，物体产生的电极由它们的性质决定。表1-3-1显示了静电特性，说明了两个物体之间摩擦会产生怎样的电极。一个物体当与表上部的物体摩擦时会带正电。一个物体当与表下部的物体摩擦时会带负电。接近顶端的物体比接近末端的物体带有更多的自由电子。可以认为物体带电是因为电子从接近顶端的物体那儿移动到了接近末端的物体上。例如，当玻璃和棉布接触的时候，在表中玻璃在棉布的上方，玻璃就带正电，棉布在下方，就带负电。当棉布与PFA板发生接触，在表中棉布在PFA的上方，就带正电，PFA在下方，带负电。因此，静电的极性是由两个物体之间的关系决定的。所以，如果要防止产生电荷，可
13、是在物体之间又有接触和摩擦的可能性，那就选择在静电特性中比较接近的材料。相反，位置较远的材料更容易产生较多的电荷。注意，静电特性的顺序并不是一成不变的。可能会随着湿度，温度，物体的形状和表面状况而改变。现实生活中使用这个表要特别注意考虑到这些因素。电的特点当一个带电的物体靠近另一个带电的物体时，如果它们带有相同极性的静电就会互相排斥，如果极性相反就会相互吸引。这种力被称作库仑力。带有静电的物体总是受库仑力作用的，而且经常因此出现问题。例如，生产设备上薄膜和玻璃板粘在一起的问题就是因为不同极性的电荷相互吸引所致。当物体带有相同极性的电荷时，无法传送至指定位置或部件由于排斥力而弹开的问题就出现了，
14、从而导致不良产品或不正确发送。空气中的灰尘和粒子是问题的另一个原因，因为它们大多数都带有正电荷或负电荷。如此多的带电灰尘和粒子漂浮在空气中可能会吸附到任何带电物体上。生产设施，特别是涂层，蒸发，或胶合应用，饱受由于吸附灰尘或粒子造成的外观上的缺点的困扰。图1-3-2：静电引起的问题示例在生产设施上，静电会引起各种问题，经常没有人能知道原因。这些问题包括机器突然停止运转或产出不良产品。图1-4-1：原子水平上的电子移动在显微镜下，原子核彼此发射或接收电子。物体A物体B（接触前）物体A物体B(接触过程中)物体A由接触带电物体B(接触后)I-7I.静电学基础静电学手册I-4 电荷与电场的量当电荷处在
15、电场内时，电荷会受到作用力而移动。这种移动被称作电流。电流从电子较多的位置（高电位）流向电子较少的位置（低电位）。当电流通过一个物体时，总会存在一个电场。所有的物体都包含携带电荷的物质。电有正负两种极性。物体由原子组成，原子由带正负电荷的微小粒子组成。通常，这些粒子在原子核中间保持平衡状态，使之呈电中性。如果物体与另一物体接触，电子会如图1-4-1开始移动。因此，接受电子的物体带负电，发出电子的物体带正电。这种电子的流动就是造成许多静电问题的主要原因。库仑定律如以上描述的情况，当带电物体靠近时，物体之间会产生一种力：相同极性的物体会互相排斥，不同极性的物体会互相吸引。这种力被称作“库仑力”（单
16、位：N），“库仑定律”说明了电荷数量与力之间的关系如下：物体所带电荷太小而无法测量就被称作点电荷。设想点电荷A，携带电荷数量QC，被点电荷B靠近，B携带电荷数量Q C，在真空中距离rm。当用库仑定律来计算静电力F时，力与AB之间的距离rm的平方成反比，与AB的电荷数量Q与Q的乘积成正比。比例常数0 就是真空中的介电常数(8.85 x 10-12F/m:法拉每米）。库仑力在带电物体的极性相同时表现为排斥力，极性相异时表现为吸引力。当除以重力加速度9.8m/s2时，这种力能以千克来表示。示例当1C和-1C两个点电荷放置距离1m时，静电力F能按照以下方式计算：这是一个大约有一百万吨力的作用力，相当于能举起一百万吨物体的力。1库仑C的值表示了一个极大的力。在真实生活中，大多使用大约10-5C的值，这是当一块1 x 1m的方形薄膜由摩擦带电所产生的电荷数量。库仑定律有人说库仑定律是由希腊哲学家泰利斯(B.C.640-546)发现的。库仑(1739-1806)是把该理论归纳整理成为一个定律并于1785年发表的人。图1-4-3电场由于电场的作用力，作用于另一个电荷的电力存在于同一个位置上。距离中心越