正文,静电效应Word文档格式.docx

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再比如说以前认为静电放电是高电压、小电流的放电形式，其对外作用主要是由于较宽的放电频谱引起的电磁干扰。

而现在由于测试手段的提高，对静电放电现象的表述为高电压、短时（微纳秒级）脉冲强电流及宽的放电频谱。

它的危害不只是电磁干扰，而且对放电物体有物理破坏作用。

现今静电理论及静电应用技术的前沿问题大致可分为以下几个方面：

1、强电离放电理论。

2、脉冲静电技术。

3、电磁干扰。

4、静电生物效应。

5、静电放电模型的建立。

1.3静电简介

1.3.1静电的定义

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静电就是物体表面过剩的或不足的静止电荷。

静电是一种电能，它留存于物体表面；

静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；

静电是通过电子或离子转移而形成的。

1.3.2静电现象的产生

任何物质都是由原子（分子也是由原子构成）组合而成，而原子的基本结构包括质子、中子及电子。

科学家们发现质子带正电，中子不带电，电子带负电。

在正常状况下，一个原子的质子数与电子数相同，正负电平衡，所以对外表现出不带电的现象。

但是由于外界作用如摩擦、各种能量（动能、位能、热能、化学能）等的形式作用会使原子的正负电不平衡，从而表现出带电性。

在日常生活中所说的摩擦实质上是物体间不断接触与分离的过程。

在有些情况下不摩擦也能产生静电，比如任何两个不同材质的物体只要接触后分离就能产生静电，流动的空气当然也能产生静电。

为什么流动空气会产生静电呢？

因为空气也是由原子组合而成，所以可以这么说，在人们生活的任何时间、任何地点都有可能产生静电。

要完全消除静电几乎不可能，但可以采取一些措施控制静电使其不产生危害。

1.3.3静电现象的发现过程

人们对电现象的初步认识很早就有记载，早在公元前585年，古希腊哲学家塞利斯，已经发现了摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体.我国在东汉时期的王充在《论衡》一书中提到"

顿牟掇芥"

等问题，所谓顿牟就是琥珀，掇芥意即吸引籽菜，就是说摩擦琥珀能吸引轻小物体。

西汉末年，有关于"

玳瑁吸（细小物体之意）的记载，以及"

元始中（公元三年）……矛端生火"

，即金属制的矛的尖端放电的记载。

晋朝（公元三世纪）还有关于摩擦起电引起放电现象的记载：

"

今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有声。

在对电现象的早期研究中，最早进行系统研究的首推英国医生威廉．吉尔伯特，他在文章中说：

"

随便用一种金属制成一个指示器……在这个指示器的另一端，移近一个轻轻摩擦过的琥珀或者是光滑的磨擦过的宝石这指示器就会立即转动"

，他通过大量的实验驳斥了许多关于电的迷信说法，并且发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的质，而且其它物质象金刚石、水晶、硫磺、硬树脂、明矾等也有这种质，他把这种质称为电。

1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机，他用硫磺制成形如地球仪的可转动物体，用干燥的手掌擦着干燥的球体使之停止可获得电，盖利克的摩擦起电机经过不断改进，在静电实验中起着非常重要的作用。

18世纪中叶，电学实验逐渐普及，在法国和荷兰有不少人公开表演认为娱乐。

1731年，英国牧师格雷从实验中发现，由摩擦产生的电在玻璃和丝绸这类物体上可以保持下来而不流动，而有的物体如金属，它们不能由摩擦而产生电，但却可以用金属丝把房里摩擦产生的电引出来绕花园一周，在末端仍具有对轻小物体的吸引作用，他第一次分清了导体和绝缘体，并认为电是一种流体。

电既是一种流体，而流体比如水是可以用容器来蓄存的，1745年，德国牧师克茉斯脱，试用一根钉子把电引到瓶子里去，当他一手握瓶，一手摸钉子时，受到了明显的电击。

1746年，荷兰莱顿城莱顿大学的教授彼得.冯.慕欣布罗克无意中发现了同样的现象，用他自己的话说：

手臂和身体产生了一种无形的恐怖感觉，总之，我认为自己的命没了"

，。

就这样穆欣布罗克公布了自己意外的发现：

把带电的物体放进玻璃瓶里，就可以把电保存起来。

穆欣布罗克的发现，使电学史上第一个保存电荷的容器诞生了。

它是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，由于它是在莱顿城发明的。

所以叫做莱顿瓶，这就是最初的电容器莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。

其中最壮观的是法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前所作的表演，诺莱特邀请了路易十五的皇室成员临场观看莱顿瓶的表演，他让七百名修道士手拉手排成一行，队伍全长达 900

英尺（约275米）。

然后，诺莱特让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握瓶的引线，一瞬间，七百名修道士，因受电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之口瞪目呆，诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。

莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其质进行研究。

1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明.富

兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直导致了1752年富兰克林著名的费城实验。

他用风筝将"

天电"

引了下来，把天电收集到莱顿瓶中，从而弄明白了"

和"

地电"

原来是一回事。

十八世纪后期，贝内特发明验电器，这种仪器一直沿用到现在，它可以近似地测量一个物体上所带的电量。

另外，1785年，库仑发明扭秤，用它来测量静电力，推导出库仑定律，并将这一定律推广到磁力测量上。

科学家使用了验电器和扭秤后，使静电现象的研究工作从定走上了定量的道路。

第二章 几种典型的静电效应

第二章几种典型的静电效应

2.1静电平衡

静电平衡是一种状态，导体中没有电荷定向移动的状态叫静电平衡。

处于静电平衡状态的导体电荷分布和电场的分布互相影响、互相制约，并不是电荷和电场的任何一种分布都是静电平衡分布，必须满足一定的条件，导体才能达到静电平衡分布。

导体的静电平衡条件是导体内场强处处为零。

从导体静电平衡条件出发，不难推出静电平衡导体有以下几个特性：

导体内部各点的电势相等，整个导体是一个等势体，导体的表面是一个等势面；

导体表面及附近所处的场强处处与它的表面垂直；

导体内部正负电荷相等而不显电性，电荷只能分布在导体的表面。

导体处于静电平衡状态是有条件的、暂时的。

当外电场变化时，导体就不能维持原来的静电平衡状态，而要使电荷在导体的表面重新分布，从而达到新的平衡。

2.2静电屏蔽

静电屏蔽：

导体的外壳对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响的现象。

静电屏蔽的原理：

如果将导体放在电场强度为E外的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。

这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这就是静电感应现象。

由于导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场，电场强度为E内。

根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于E外和E内的叠加。

当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再移动。

物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。

导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为静电屏蔽。

2.3静电放电与ESD模型

提起静电放电（Electrostaticdischarge,ESD）与ESD模型，可能非本专业人员都感到比较陌生,但是在日常生活中每个人都或多或少地经历过这一过程。

在干燥环境,当一个人脱衣服（尤其是含有化纤的衣物）或在室内的地毯上行走之后,手触摸接地体或体积较大的金属物体（如门的把手,自来水管等）时,会有电击

的感觉,这就是人体静电放电造成的。

其实,不仅人体能引发ESD事件,其他一些物体在适当的条件下也会引发ESD事件。

这些物体可以是导体也可以是缘绝体,可以是固态的、液态的,也可以是气态的或粉尘状物质。

人体ESD在大多数情形下对人体本身无多大危害,所以许多人对它并不十分在意。

然而,随着现代科学技术的飞速发展,使静电危害日益严重。

因此,以ESD及其危害防护为核心的静电防护工程学,近几十年来,有了长足的发展。

人们通过对静电起电、放电机理及其放电特性的研究,提出了多种ESD模型,在此基础上制造出相应的

ESD模拟器,并针对不同的领域制定了相应的ESD测试标准。

2.3.1静电放电的特点

静电放电是指带电体周围的场强超过介质的绝缘击穿场强时,因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。

通常我们把非故意,偶然产生的ESD称为ESD事件。

在实际情况中,产生

ESD事件往往是物体上积累了一定的静电电荷,对地静电电位较高。

带有静电电荷的物体通常被称为静电源,它在ESD过程中的作用是至关重要的。

静电放电有以下特点:

（1）静电放电多数是高电位,强电场,瞬时大电流的过程

过去,人们认为静电是一种高电位,强电场,小电流的过程,其实这种看法并不完全正确。

的确有些静电放电过程产生的放电电流比较小,如电晕放电。

但是在大多数情况下静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流,尤其是带电导体或手持小金属物体（如钥匙或螺丝刀等）的带电人体对接地体放电时,产生的瞬时脉冲电流（脉冲宽度一般是ns级或µ

s级）的强度可达到几十安培甚至上百安培。

（2）静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲

过去人们在研究静电放电的危害时,主要关心的是静电放电产生的电流对电火工品、电子器件、电子设备及其他一些静电敏感系统的危害和静电放电的火花能对易燃易爆气体、粉尘等的引燃、引爆问题,而忽视了静电放电的电磁辐射效应。

但是,近年来随着静电测试技术、测量仪器及测试手段的迅速发展,使人们对ESD这一瞬态过程的认识越来越清楚。

在ESD过程中会产生上升沿极陡、持续时间极短的初始大电流脉冲,并产生强烈的电磁辐射形成静电放电电磁脉冲

（ESDEMP）,它的电磁能量往往会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转、使某些装置中的电火工品误爆,造成事故。

目前ESDEMP已受到人们的普遍重视,作为近场危害源,许多人已把它与高空核爆炸形成的核电磁脉冲（NEMP）及雷电放电时产生的雷电电磁脉冲相提并论。

总之,随着研究工作的深入,ESD的特性越来越清楚地展现在人们面前。

但是

应当注意的是实际的静电放电是一个极其复杂的过程,它不仅与材料、物体形状和放电回路的电阻值有关,而且在放电时往往还涉及到非常复杂的气体击穿