静电的基本概念.docx

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静电的基本概念

（一）静电的基本概念

一．静电及其与工业用电的区别

1．定义：

静电并不是静止不动的电，而是指电荷在空间稍为缓慢移动，其磁场效应比起电场的作用可以忽略的电。

由于电荷和电场存在而产生的一切现象均称为静电现象。

2．静电与工业用电的区别：

从电的本质及一般所具有的特性、规律来看，静电与工业用电是一样的，但二者具有明显的区别。

（1）起电方式不同

一般工业用电是由电磁感应原理产生，而静电，除静电技术应用和少数情况例外，大量的是因接触、摩擦、分离而起电的。

（2）能量相差很大

静电在空间积蓄的能量密度（1/2ε0E2）一般最大不超过45焦耳/米3（J/m3），而电磁机器空间积蓄的能量密度（1/2μ0H2）却很容易达到106焦耳/米3（J/m3），二者能量相差可达105倍。

（3）表现形式不同

静电电位往往高达几千伏，甚至几万伏，而工业用电常用相电压220伏，线电压380伏。

静电电流很小，常为毫微安（10-9A）数量级，工业用电则常用安培（A），几十安培（A）数量级。

（4）欧姆定律的适用性不同

工业用电的电路是符合欧姆定律，即R=V/I，然而静电释放电路则很难适用欧姆定律，因为静电的泄漏和释放的途径，除物体内部和表面外，还可以向空间释放泄漏，故无法准确计测静电泄漏电流和泄漏电阻。

二．静电分类和摩擦带电机理

1．静电的分类

（1）按起电的方式分：

①接触摩擦分离起电

两种不同的物体相互接触摩擦分离，各自产生数量相同，极性相反的电荷，此类起电方式大量出现在各行各业和日常生活中。

②静电感应起电

当一个中性物体靠近带电体，或带电体移近一个中性物体时，由于带电物体电场作用，这中性物体在靠近带电物体的一端出现带电物体电荷极性相反的电荷，而远离的一端出现与带电物体所带电荷极性相同的电荷。

这类起电方式也是大量存在的。

③电磁感应起电

现代工业和日常生活中用的动力电、照明电等都是利用电磁感应发电原理起电的。

静电技术应用也都是利用电磁感应发电原理的低压电变换成高压电的新技术应用。

④射线电离空气起电

空气、绝缘体在放射性同位素α、β、γ射线的照射下，会使中性分子电离起电。

⑤物质三态变化起电

水是良导体，而冰是带电的，液态水变成水蒸汽—气态、水蒸汽是带电。

水蒸汽上升遇冷凝结成水珠、雪或冰雹等，也是带电的。

⑥分子分裂起电

物体的变形、破碎、断裂等都会使其中性分子分裂而带电，甚至突然断裂、破碎的瞬间出现放电火星。

⑦极化起电

在电场中，一些不带电的电介质的正负偶极子电荷，在电场力的作用下，会相互向反方向微小的变位，而对多数极化性分子来说，其偶极子会定向排列，因此，出现一端为负电性，另一端成为正电性，通称为介电极化。

一些电介质当施加一定压力后，会发生电极化，当施加电场会发生偶极距倾斜，前者为压电效应，后者为压电热效应，通称为压电极化。

而一些介质在外电场不存在的情况下，将永久地保存着电极化，会在周围形成电场，这样的物体叫驻极体。

驻极体由制取方法不同，又有热驻极体、电驻极体、光驻极体、放射性驻极体和电磁驻极体等等。

⑧场致发射起电

粒子在任意电场中，会变为一个电偶极子，若电场强度很高，粒子中的电子可能被高电场作用从负端引出，称电子场致发射，或者粒子中的正离子可能被从正端引出，称正端子场致发射。

籍此种方法能在短时间获得大量电子，利用电子场致发射的脉冲系统作为X-射线的短脉冲，以及高速射影中曝光。

（2）按带电体分类

①固体带电：

塑料、橡胶、胶片、纸张、薄膜、布匹、化纤等在挤出、脱模、烘压、辊压、刮胶、收卷、传送、切割等作业生产过程的带电现象。

②液体带电：

各种绝缘油品、绝缘试剂、污油水等在装卸、喷出、搅拌、清洗、运输作业过程中的带电现象。

③气体带电：

压力气体的排放、泄喷的气体、水蒸汽喷出、蒸汽雾云、管道中流动中气体的带电。

④粉体带电：

塑料粉、医药粉、农药粉、火药粉、粮食粉、巧克力、奶粉等粉碎、筛分，气流输送等作业的带电。

⑤人体带电

人体生理变化或运动，身体各器官组织也在表现出电性，如人体细脆膜的静止电位约有100mv。

⑥生物带电

自然界许多生物是带电。

如蜜蜂脚上带有6～7V的静电，将花粉吸住。

海里还有一种带电的电鱼，这种电鱼能产生几百伏的电位，而它的发电器官只有数微米大小的细胞。

听说非洲还有一种电树。

（3）按电荷性质分类

单极性电荷、双极性电荷、正电荷、负电荷

2．摩擦带电机理

工业生产和日常生活中，到处存在摩擦带电现象，然而两种物体摩擦如何起电，有必要作一简明、扼要、通俗叙述。

（1）带电的三个过程：

任何物体摩擦带电都脱离不了这三个过程

1接触——电荷转移

两种物体接触，界面间距达到10-8cm（即：

埃）数量级时，就会发生两物体间的电荷转移，在界面形成所谓的“双电层”，在液体中有形成“电偶离子层”之说。

这“双电层”或“电偶离子层”的厚薄大小是随材料电阻率而异，电阻率较小的油液，因电传导大，电偶离子层被缩到距管壁约10-8cm的范围，而对于电阻率大的油液，可以扩散到距离固体面约数毫米的液体内部。

2摩擦——起电

两种物体接触，形成“双电层”，或“电偶离子层”后，由于摩擦、机械力等作用，将扩散的一部分电子或离子，从“双电层”或“电偶离子层”中剥离出来，随固体带走，或随液体一起流走，电荷平衡受到破坏，这样，摩擦的双方将各自带上极性相反的电荷。

3分离——电荷积累、呈带电状态

分离时，极性相反的电荷会相互吸引、再结合、进行中和，另外，产生的电荷会从物体的表面，体内或空间泄漏、消散。

对于一些物质这样中和、泄漏是很快的，而有的物质却很慢，造成电荷过剩，当产生的电荷比泄漏中和的电荷多，就会引起电荷的积累，形成带电。

电荷积累持续时间，取决于物体的性质和环境条件，如不同的油液静电消散时间1/1000S至几h。

（2）静电带电的本质

物体摩擦带电的本质是少量杂质的作用。

严格说，纯净的物质是不会产生静电的，更谈不上带电了。

而物质含杂质很多，即使产生静电也会很快中和或消散掉，呈不带电状态。

唯独含少量杂质的物质摩擦起电大，也不易中和泄漏，而积累起来，成为带电的物体。

国外许多资料报导，物质的电阻率在1010～1015Ω·cm范围容易产生静电，也不易泄漏。

溶剂，油品在管道中流动产生静电，必要条件是其内部要有一定的离子，如乙醚有微弱的电离性，易于产生静电。

然而象苯、汽油、航空煤油等一些轻质油品都是不电离的，但也能产生很强的静电，就是这些油品内含有少量杂质的缘故，这一点许多行业的静电测量和研究中，已为大家所证实。

又如聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯，塞璐珞等塑料，其ρV均在1010～1015Ω·cm范围，易带静电。

从这一机理出发，便可想而知，油中混入少量的水，粉体带有少量的可燃性液滴，可燃性气体中混入少量的粉尘等等，都极易产生危险性的带电，如国外有资料说，轻油中含有6%的水，静电发生量将增大20倍。

三、材料的划分和带电系列表：

1．材料的划分

从静电角度说，一般按各物质的所具有的导电性（或电阻率大小），有以下两种划分方法：

（1）静电导体、静电亚导体和静电非导体

静电导体：

在任何条件下，体电阻率等于或小于106Ω·m（即导电率等于或大于10-6S/m）的物料及表面电阻率等于或小于107Ω的固体表面。

静电非导体：

在任何条件下，体电阻率等于或大于1010Ω·m（即导电率等于或小于10-10S/m）的物料及表面电阻率等于或小于1011Ω的固体表面。

静电亚导体：

介于二者之间。

（2）静电导电型材料、静电耗散型材料、静电屏蔽材料和不易带电型材料

导静电型材料：

①表面电阻率小于1×105Ω或体积电阻率小于1×104Ω·cm的材料（YD/T754-1995）

②该材料表面电阻、体积电阻应小于1×106Ω（SJ/T31469-2002）

静电耗散型材料：

③表面电阻率大于1×105Ω和小于或等于1×1012Ω，或体积电阻率大于1×104Ω·cm或等于1×1011Ω·cm的材料（YD/T754-1995）

④该材料表面电阻、体积电阻应在1×106Ω～1×1010Ω之间（SJ/T31469-2002）

屏蔽材料：

电阻率很低的导电体，表面电阻率≤102Ω，一般摩擦不起静电。

不易产生静电材料，摩擦起电电压小于或等于2KV的材料。

（3）导静电地板、静电耗散地板和不易产生静电地板

导静电地板（ECF）：

电阻2.5×104Ω～1×106Ω；

耗散地板（DIF）：

电阻1×106Ω～1×109Ω；

不易产生静电的地板（ASF）：

摩擦起电应小于2KV。

2．带电系列表

二种材料摩擦带电，必然是一种材料带正电，另一种材料带负电，而带电量大小，则取决于二种材料的性质、摩擦力大小、分离速度、表面粗糙度以及周围环境状况而异。

下表的带电系列揭示的二个规律：

（+）正极性

铅

镉

银

丙烯腈混纺品

人手

棉纱

铬

硫磺

石棉

真丝

纸

黑橡胶

玻璃

粘胶丝

黑硬橡胶

铂

碳化钙

兔毛

毛发

皮肤

麻

维尼龙

聚乙烯、聚氨酯

云母

酪素

铁

聚苯乙烯

赛路路

尼龙

醋酸酯

铜

腈纶

玻璃纸、聚炳烯、聚氨乙烯

羊毛

铝

镍

沙兰树脂

聚四氟乙烯

皮毛

人造丝

锌

黄铜

聚脂树脂

负极性（-）

（1）二种材料摩擦带电，处于表中前面的材料带正电，处于表中后面的材料带负电。

（2）二种材料摩擦带电，处于表中相对位置错开越多，带电便越显著。

四、ESDS元器件、组件和设备的分级

1级：

易遭受0-1999VESD电压危害的电子产品；

2级：

易遭受2000-3999VESD电压危害的电子产品；

3级：

易遭受4000-15999VESD电压危害的电子产品。

对大于16000VESD电压危害电子产品，则认为是非静电敏感产品。

列于ESDS产品的还包括所有安装ESDS元器件的印刷电路板，高于1GHz频率工作的半导体器件及微型计算机控制装置。

五、术语（英文缩写注解）

1）ESD（ElectrostaticDischarge）静电放电

2）EMC（Electro-MagneticCompatibility）电磁兼容

3）ESDS（ElectrostaticDischargesensitive）静电放电敏感（的）

4）ESSD（ElectrostaticSensitiveDevice）静电敏感器件

5）EPA（ElectrostaticDischargeProtectivearea）防静电工作区

6）EBP（EarthBondingPoint）接地连接点

7）IC（IntegratedCircuit）集成电路

8）MOS（MetaloxidationSemiconductor）金属-氧化物-半导体

9）CMOS（ComplementaryMos）互补金属-氧化物-半导体

10）HMOS（HighDensityMos）高密度金属-氧化物-半导体

11）PMOS（P-channelMos）P沟道金属-氧化物-半导体

12）NMOS（N-channelMos）N沟道金属-氧化物-半导体

13）VMOS（VerticalMos）垂直槽金属-氧化物-半导体

14）MIS（MediumScaleIntegration）中规模集成电路

15）LSI（largeScaleIntegration）大规模集成

16）VLSI（VeryLargeSI）超大规模集成

17）VHSI（Ve