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静电的起源与发生

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:电介质材料具有明显的起电能力。必须指出,材料起电特性与实验条件有密切关系,不同条件下的静电序列有很大差异。除了不同的物质间接触摩擦会产生静电外,摩擦起电亦能在相同物质间发生,如高绝缘材料之间摩擦会产生很高的电位。例如,当把两块密切接触的塑料分开时,能产生10kV以上的静电。内层是紧贴在固体表面的离子,称固定层或吸附层;而外层离子是可动的,称为活动层或扩散层。

静电的起源与发生

(1)固体起电:

①摩擦起电:两物体在相互接触时,在界面处由于两个作用面能态的差异,如电子功函数、温度、电荷载体浓度等的不同,发生电荷转移而形成偶电层。这种转移可以是电子,也可以是离子。将偶电层简单地看成是一个电容器,两接触面就是电容器的极板。将它们机械分离之后,各自所带电荷符号相反、电量相等,而带电电位相对升高。在分离的瞬间如从固体表面剥离薄膜,偶电层发生畸变,就会使分离处电场强度剧增,发生所谓倒流。倒流的大小受材料电导率的限制。导体材料的电荷能自由流动,当接触分离时,电荷实际全部中和掉,这就是导体摩擦起电很小的原因。

电介质材料具有明显的起电能力。根据物质的起电性能将电介质材料排序,即可构成静电序列。序列中任意两种物质摩擦,位置靠前的物质带正电,位置靠后的带负电;相互摩擦的物质在静电序列中位置相距越远,起电后电势差越大。下面列出一个由常用材料构成的静电序列:玻璃、头发、尼龙、羊毛、绸布、醋酸盐人造丝、滤纸、聚丙烯超短纤维(奥纶)、黑橡胶聚酯纤维(涤纶)、维尼纶、聚乙烯、赛路珞、玻璃纸聚氯乙烯聚四氟乙烯。必须指出,材料起电特性与实验条件有密切关系,不同条件下的静电序列有很大差异。

除了不同的物质间接触摩擦会产生静电外,摩擦起电亦能在相同物质间发生,如高绝缘材料之间摩擦会产生很高的电位。

②断裂起电:材料因机械破裂使带电粒子分开,断裂后的两半各带等量异号电荷。

压电效应起电:某些材料在机械力作用下会产生电荷。

④热电效应起电:若对显示压电效应的晶体(如电石的晶体)加热,则一端带正电。

⑤剥离起电:如图2-4所示,当相互紧密结合的物体剥离时,会引起电荷的分离,产生分离物体双方带电的现象。例如,当把两块密切接触的塑料(如聚乙烯袋)分开时,能产生10kV以上的静电。剥离带电根据接触面积、接触面的黏着力和剥离速度的不同而产生不同的静电量。

图2-4 剥离起电(www.xing528.com)

⑥电解起电:固体与液体(电解质溶液)接触时,固体离子将向溶液扩散,在固体和电解质溶液的界面上将有电流流过。随着这一过程的进行,界面上出现偶电层,形成电位差。在电解带电中,无水酸同金属接触时带负电;无水碱同金属接触时带正电;强酸性材料容易带负电;强碱性材料容易带正电。

固体与固体接触时,由于固体表面能吸附很薄的水膜或其他液体膜,因而在固体与固体相接触的间隙之间,亦有这样的薄膜,并在这里发生电解现象。在电解带电中,由于液体薄膜大大降低了固体的表面电阻率,以致固体接触分离时,界面两侧的电荷几乎全部泄漏而不带电。

(2)粉体起电:粉体起电是由于粉体与器壁、粉体与粉体间相互碰撞、接触分离、摩擦、碎裂而引起的。这时起电量与分散度、电导率、壁面电导率、速度、周围空气湿度、相互作用的强烈程度、碰撞时的接触程度及接触面积等有关。颗粒越小,相互作用越强烈,碰撞面积越大,起电就越强。

(3)液体起电:液相(如石油)与固相(如金属)界面亦能形成偶电层,因为任一种液体电介质如石油等烃类液体,不论其电导率多低,纯度多高,其内部总会含有少量的可电离的杂质。当液体处于静态时,这种杂质和其他离子被吸引到金属壁面上,这种吸引力与许多因素如带电粒子类型、管道半径等有关。正负离子对金属不可能具有相同的亲和力,亲和力大的就被金属表面所吸引并吸附着,而液体中电荷量相等的异号离子将被留在液相内,并聚集在界面附近,在界面处形成偶电层。内层是紧贴在固体表面的离子,称固定层或吸附层;而外层离子是可动的,称为活动层或扩散层。

当液体流动时,流动层的带电粒子随液体流动形成了流动电流;异号带电粒子留在管道中,如管道接地则流入大地,这样就发生电荷分离,随液体流动的电荷形成的电流称为流动电流。当液体处于稳态时,液相中的带电粒子不断地被流动液体带走,固定层电荷经接地管道而被中和,重新又从液体中出现等量的正负电荷层而重复上述过程,此种现象有点类似电解,不同的是亲和力、扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用。影响液体带电量的大小和极性的因素有:液体的种类和特性,管道材料及其表面光滑程度,流速、温度、含水量、空气、混合物以及杂质微粒等。

喷射在空间的液体类物质由于扩展分散和分离,会形成许多微小液雾和微粒,当与喷嘴接触分离时,微粒与喷嘴会带有不同符号的电荷。当液体微粒喷出时又与空气接触分裂成更小的液滴,较大的沉降,较小的成为电荷云,如图2-5所示。

图2-5 喷射起电

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