静电效应研究与应用文档格式.docx

1、1.3 静电简介 1.3.1 静电的定义 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

2、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

3、，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

4、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

5、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

6、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1

7、752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，

8、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

9、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（ Elect rostatic discharge, ESD） 与ESD 模型，

10、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,

11、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

12、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

13、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（ ESD EMP） , 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ESD EMP 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

14、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过程, 因而ESD 是一种很难重复的随机过程。上面我们介绍的仅仅是静电放电的主要特点。按照静电放电形成的条件、放电特点及引燃、引爆的能力大小, 可将静电放电分成七种类型: 电晕放电、火花放电、刷形放电、传播型刷形放电、大型料仓内的粉堆放电、雷状放电以及电场辐射放电。2.3.2 静电放电模型静电放电是一个复杂多变的过程, 同一静电源对不同的物体放电时产生的结果是不一样的。即使同一

15、静电源对物体放电, 也会受气候、环境等条件的影响,难以得到具有重复性的放电结果, 使得难以有效地对ESD 的危害及其效应进行正确的评估。针对这一问题,人们对实际中各种可能产生具有危害的静电放电的静电源进行了深入的研究, 建立了以等效电容、等效电阻为主要参数的电路网络, 叫做静电放电模型。在这些模型中最早建立的是静电放电人体模型, 其他常见的ESD模型还有场增强模型、带电器件模型、家俱模型、机器模型及场感应模型等。目前, 国际电工委员会及有关国家的标准, 对这些ESD 模型都给出了相应的电路参数和标准的实验方法。不少企业还生产了ESD 模拟器。利用这些ESD 模拟器, 可以方便地进行静电放电实验

16、和进行抗静电检测与评估。2.4 人体静电带电的人体作为一种特殊的静电导体, 是最典型的一种静电危害源, 因为人是工业生产和科学研究活动的主体。人体由于自身的动作及与其他物体的接触􀀁 分离、摩擦或感应等因素, 可以带上几千伏甚至上万伏的静电。随着工业生产的发展, 人体静电问题受到越来越广泛的重视。人体静电可能是危险场所的点火源, 清洁厂房的污染源和电子装置的电磁干扰源。人体静电还可能使人体受到静电电击。因此, 研究人体的静电起电规律、人体静电参数及其测试方法已成为现代静电防护工程中的重要内容。人体静电已成为静电学中的一个重要分支。对于人体静电的定义, 静电界曾有一些争议, 其焦

17、点是, 人体静电应不应该包含服装静电, 用人体对地电位还是用人体上静电荷来表征人体静电。从理论上讲, 静电场的存在是人体静电的唯一判据, 只要人体在其周围产生了静电场就应该认为人体带有静电。描述静电场的基本物理量是电场强度与电位,人体表面各处的电场强度是不同的, 但是人体作为静电导体, 在静电平衡条件下是个等位体, 整个人体对地具有一定的静电电位。因此, 用人体与大地之间的电位差来判断人体是否带电是合适的。在实际应用中, 一般涉及人体静电放电危害的基本物理量是静电放电能量, 在静电场理论中, 与静电能量紧密联系的物理量是静电电位。因此, 从这个意义上讲, 也应该用人体与地之间的静电电位差来表征

18、人体静电。只要人体与地之间的静电电位之差不为零, 就认为人体带静电。这样, 衣服是否归于人体静电也迎刃而解。由于衣服静电的存在影响人体对地的静电电位, 故应考虑衣服的静电。因此,人体静电的完整定义为: 人体由于行走、操作, 或与其他物体接触、分离, 或因静电感应、空间电荷吸附等原因使人体正负极性电荷失去平衡, 而在宏观上呈现出某种极性的电荷积聚, 从而人体对地电位不为零, 对地具有静电能量, 这种相对静止的, 积聚在人体上的电荷称为人体静电。总之, 人体静电既不是人体生物电的含义, 也不是人体着装的静电（ 虽然人体静电电位包括衣着电荷的贡献） 。衣着的各处可以有不同极性的电荷, 也可以有不同的

19、静电电位值, 但人体本身的静电电位值处处相等。如果人体的带电是由于与其他物体的接触分离（ 摩擦）而引起的, 那么人体或衣服在摩擦带电序列上的位置,接触与分离的面积和速度决定着人体静电起电的极性和电荷量的大小, 而保持人体静电的能力或者说在确定的起电过程中, 人体相对稳定地带上多少电量与环境的温度、湿度有关, 与人体同大地及周围物体的绝缘程度有关。越是干燥的环境, 人体对地的泄漏电阻越大（ 如穿绝缘底鞋或地面为绝缘地面） , 人体静电越容易积聚,形成较高的人体静电电位。这时, 人体静电的ESD 电击和静电危害愈易发生。人体静电危害和ESD 电击强度的大小与人体静电放电释放的最大能量或最大电量有关

20、。在测量人体静电电位的同时, 测量人体电容, 即可确定其放电能量或电量。国内外的报导常以人体静电电位表示人体静电的大小。但是, 人体最大静电电位值（ 或极端值） 是多少, 已有报导各不相同。为此, 我国科技工作者结合静电起电、放电的特点和目前国内外静电测试仪器存在的问题, 提出了“信号自屏蔽”“电荷耦合”“高压动态电位”测试新原理, 并研制成功ZPD -1 型静电电位动态测试仪,准确地测试了人体等静电导体的动态电位。图1 图4是利用Z PD -1 型静电电位动态测试仪测试的人体在不同环境下, 脱衣、行走等动作时的人体静电动态电位值。确定了人体在干燥环境下, 可能积聚的最大静电动态电位值。为静电

21、安全性评价和静电防护研究提供了科学的依据。总之, 人体静电通过放电、释放静电能量造成危害,而造成危害事故的概率大小和人体静电极端值密切相关。人体高电压试验结果证实, 随着工业生产水平的不断提高和人们的着装及环境条件的变化, 高于60 kV 的人体静电电位极端值有可能出现。之所以至今未见报导, 是因为人体静电电位极端值的大小不仅同电晕放电有关; 而且更重要的是和人与大地之间的绝缘程度及起电率等许多因素密切相关, 所以更高的极端值出现的概率更小。另外, 能否真实地测试记录下人体静电的极端值, 还决定于测试仪器的性能。2.5沉积静电效应沉积静电（Precipitation Static）是云层中各种

22、带电微粒在飞行器表面的沉积、碰撞而形成的一种静电。飞机、导弹等飞行器在穿越云层时，导航、通讯等系统就会出现电磁干扰现象。轻者，会在导航、通讯系统的工作频段内出现“滋滋”的噪音；严重时，会导致系统无法正常工作，甚至引发飞行器严重故障。通过对沉积静电形成条件、作用机理、危害途径的研究，可以制定相应的防护对策，避免或减轻沉积静电的危害作用。2.5.1沉积静电效应形成机理 一定高度的大气层，存在多种环境气候条件，如较低海拔时大气微粒（如灰尘）和较高海拔时水的不同形态微粒（如冰雹、雨、雪）。这些云层微粒由于大气上升气流的作用和地球的重力作用，会不断地彼此剥落、分离，体积大的电荷微粒一般带负电，沉降到云层

23、的底端，而体积小的电荷微粒则带正电，上升到云层的顶端。这样，云层中就产生了大量的带电小微粒。飞行器在一定的高度飞行时，会遭遇这些微粒（雪片、雨滴等）。微粒在飞行器表面的沉积和碰撞会使飞行器带上电荷，这就是沉积静电。这些电荷累积可以达到几十万伏电压。2.5.2沉积静电放电当沉积电荷在飞行器表面累积到一定程度，就会在飞行器表面的尖端或突起处发生沉积静电放电。沉积静电放电发生的部位不同，放电环境不一样，导致沉积静电的放电形式也会不同。典型的放电形式有3种：跳火花和电弧、表面流光放电、电晕放电。跳火花和电弧的产生是由于飞机不同组件间的电势梯度差。云层中的冰晶颗粒在这些塑胶表面的沉积会使它们与飞机的其它

24、金属表面间形成很高的电势差。电荷在这些塑胶表面极快地累积，直到发生跳火花放电1 J。这种放电具有振荡的性质，发射的电磁脉冲频谱较宽，成为干扰天线的射频干扰源。表面流光是不导电的飞机部件如雷达、挡风玻璃和纤维玻璃板间的放电。流光放电产生高电平脉冲噪声，脉冲最大宽度可达200 ns，噪声频谱在1MHz以下是平坦的。影响流光放电的4个主要因素是：漏电阻抗值、电介质的材料与形状大小、粒子撞击飞行器的速度、周围大气的状态。 电晕放电是沉积静电的主要放电形式，一般发生在飞机尾端（翼尖、稳定器、天线尖端和其它的突出物）、周围有电离空气存在的场合。高空的雪片、冰晶与飞行器碰撞后会使飞行器带上电荷，电荷不断累积

25、，直到发生电晕放电。电晕放电产生的于扰可以耦合到天线的接收机中去，特别是可以对以低频段、中频段调制的接收机产生严重干扰。电晕放电的效果随着温度不同而改变，海拔和空速也影响电晕放电效果。2.6生物静电效应 近年来, 我国在静电研究领域里, 出现了活跃的新分支 静电生物效应。静电生物效应涉及面很广, 包括静电场对人体的影响静电场对动物和植物生长的作用静电场对提高植物种子活力和对农作物增产的效应, 以及静电保鲜技术、静电在医疗保健上的作用、静电杀菌技术静电在刑事侦破中的应用静电细胞工程和静电生物工程等等。第三章 .应 用 利用静电感应、高压静电场的气体放电等效应和原理，实现多种加工工艺和加工设备。在

26、电力、机械、轻工、纺织、复印、摄影、航空航天以及高技术领域有着广泛的应用。3.1静电喷涂 静电喷涂是利用高压静电电场使带负电的涂料微粒沿着电场相反的方向定向运动，并将涂料微粒吸附在工件表面的一种喷涂方法。静电喷涂设备由喷枪、喷杯以及静电喷涂高压电源等组成。3.1.1工作原理工作时静电喷涂的喷枪或喷盘、喷杯，涂料微粒部分接负极，工件接正极并接地， 在高压电源的高电压作用下，喷枪（或喷盘、喷杯）的端部与工件之间就形成一个静电场。涂料微粒所受到的电场力与静电场的电压和涂料微粒的带电量成正比，而与喷枪和工件间的距离成反比，当电压足够高时，喷枪端部附近区域形成空气电离区，空气激烈地离子化和发热，使喷枪端

27、部锐边或极针周围形成一个暗红色的晕圈，在黑暗中能明显看见，这时空气产生强烈的电晕放电。涂料中的成膜物即树脂和颜料等大多数是由高分子有机化合物组成，多为导电的电介质，溶剂形涂料除成膜物外还有有机溶剂、助溶剂、固化剂、静电稀释剂、及其他各类添加剂等物质。这类溶剂性物质除了苯、二甲苯、溶剂汽油等，大多是极性物质，电阻率较低，有一定的导电能力，它们能提高涂料的带电性能。电介质的分子结构可分为极性分子和非极性分子二种。极性分子组成的电介质在受外加电场作用时，显示出电性；非极性分子组成的电介质在外好。涂料经喷嘴雾化后喷出，被雾化的涂料微粒通过枪口的极针或喷盘、喷杯的边缘时因接触而带电，当经过电晕放电所产生

28、的气体电离区时，将再一次增加其表面电荷密度。这些带负电荷的涂料微粒的静电场作用下，向导极性的工件表面运动，并被沉积在工件表面上形成均匀的涂膜。3.1.2突出优点1、一次涂装可以得到较厚的涂层，例如涂覆100300m的涂层，用一般普通的溶剂涂料，约需涂覆46次，而用粉末涂料则一次就可以达到该厚度。涂层的耐腐性能很好。2、粉末涂料不含溶剂，无三废公害，改善了劳动卫生条件。3、采用粉末静电喷涂等新工艺，效率高，适用于自动流水线涂装，粉末利用率高，可回收使用。4、除热固性的环氧、聚酯、丙烯酸外，尚有大量的热塑性耐脂可作为粉末涂料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化聚醚、尼龙、聚碳酸脂以及各类含氟树脂等。

29、粉末涂料开始用于防护和电气缘方面，随着科技的发展，已广泛使用于汽车工业、电气绝缘、耐腐蚀化学泵、阀门、汽缸、管道、屋外钢制构件、钢制家具、铸件等表面的涂装。我国自六十年代开始粉末涂装的实验研究，并在生产上得到应用。发展已广泛得到使用。3.2静电纺纱 静电纺纱是自由端纺纱方法之一。因在纺纱过程中利用静电场使纤维伸直平行排列和凝聚而称静电纺纱。静电纺纱的研究起源于美国。E.S.肯尼迪与S.奥格尔斯比A.L.托马斯先后在1949年和1955年提出静电纺纱装置的专利其后美国不少纺织企业进行静电纺纱研究。1971年美国电纺公司在国际纺织机械展览会上曾展出一台20锭样机（ESP型）引起了对静电纺纱研究的重视。除美国外日本苏联德国瑞士等10个国家都先后开展了静电纺纱研究但都处于实验室研究阶段。中国自1958年开展静电纺纱研究1980年在上海建成1400头静电纺纱中间试验车间。 在纺纱过程中利用静电场对纤维的作用力，使纤维得到伸直、排列和凝聚，并在自由端须条加拈时起到平衡的作用，使纺纱能连续进行。是属于自由端纺纱范畴的一种新型纺纱技术。静电纺纱装置是由单纤维供应机构、静电场发生器、 加拈器和卷绕机构 4个部分所组成。主要工艺流程为并条给湿，低速刺辊分梳，气流剥棉输送，封闭容器电场中定向排列及高速回转加拈成纱。用于生产包芯竹节、彩色竹节及混纺方面更能显示静电纺纱的优越性。3.3.静