7 静电的危害及防护

电气安全（ElectricSafety）东北大学火灾＆爆炸防治实验室Fire&ExplosionProtectionLaboratory(FEPL)李刚第7章静电的危害及防治Staticelectricity常见的静电现象皮带传动打滑时，皮带上的静电吸取、灌注和储运易燃液体（汽油、酒精），静电电压高达数千伏，引起汽油蒸汽爆炸粉尘在空间浮动和空气相互摩擦碰撞，附件又有接地金属时，就会出现火花引起爆炸运送汽油的油车，油箱里的汽油不停的晃动，轮胎是绝缘的，电荷在油箱上积累人体带静电飞机高速飞行与空气流的摩擦尼日利亚最大城市拉各斯的一条汽油管道2006年12月26日发生爆炸，爆炸造成至少260人死亡。静电的产生简单地说，静电是由两种物质相互摩擦而产生的，失去电子的带正电，得到电子的带负电固体、液体和气体静电起电原因各有特点固体的起电接触分离起电两个不同固体材料接触距离达到25埃（10-10m）就有电荷的转移发生（隧道效应）逸出功使一个电子从物体内部转移到物体外部真空中去外力所做的功w偶电层两金属间产生等量异号的电荷层两金属界面的电位差V12有关系eV12＝w1-w2V12在十分之几至几伏之间。为什么突然分开时能产生上万伏的电压？1796年伏特（英）发现带电序列（＋）石棉-玻璃-云母-羊毛-猫皮-铅-镉-锌-铝-鉻-铁-铜-镍-银-金-铂（－）隧道效应1957年受雇于索尼公司的江崎玲於奈发现当增加PN结两端的电压时电流反而减少，这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。不久得到P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。隧道效应经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantumtunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。固体的起电(续)物理效应起电压电效应，石英晶体在1kg/cm2的压力下，可产生百分之几的电位差热电效应石英晶体也有热电现象感应带电指静电场对金属导体的感应带电现象液体静电的产生液体流动带电电阻率较高的液体在金属管道里流动时，由于液体里有杂质，在金属管壁上形成约一个分子层的电偶层液体－气体界面起电水是极性分子，当水分裂成细末时，水滴呈正电性，飞沫呈负电性，即雷纳效应（雷纳在阿尔卑斯山的尼亚加拉瀑布前发现的）气体静电的产生纯净的气体不容易产生静电分子间距是分子直径的几十倍接触机会少气体产生静电的原因加压时，接触机会加剧气体内部含有灰尘、金属粉末、液滴、水锈等静电的危害引起火灾及爆炸电击直接伤害二次伤害影响生产电子器件误动作防碍生产，吸附尘埃、粉体吸附于设备、印刷时纸张不齐（不能分开）静电放电形式及其能量电晕放电（corona）在带电体的尖端放电，放电能量密度≦10－2mJ(传播)刷形放电（propagatingbrushdischarge）带电量大的非导体与较平滑的接地导体之间易产生刷形放电。沿面放电，放电通道有分叉呈树枝状，放电能量可达mJ级堆积粉尘的放电(conedischarge，bulksurfacedisch.)呈现能量较集中的放电回路，放电能量的级别在10－2～102mJ，是比较危险的放电形式火花放电(sparkdischarge)带电体和和接地体在间隙很小的情况下间隙间突然放电，不分叉，瞬间可释放较集中的能量，达到数百mJ静电火花引发粉尘爆炸危险性人体放电人体是静电的导体，放电形式为火花放电，能量集中，危害性较大坐在木凳上身体可产生2万伏电压，在地板上走过可积蓄5万伏电压人体静电火花能量：人体电容（我国）约在150~350pF假定静电电压数千伏静电火花的能量≥0.2mJ足以引燃饱和烃及其衍生物的爆炸性环境静电荷的累积静电荷累积静电荷产生产生静电物体的电学特性和产生静电荷条件和环境电学条件固体材料的电阻率越大，产生静电越高，反之亦然物体的起电能力带电的最大电位/kV物体的表面电阻率/Ω不带电0.01106以下微量带电0.01~0.1106～108带电体0.1~1108～1010高带电体1以上1010以上静电荷的累积（续）电学条件液体静电的产生取决于含杂和液体自身的体电阻率含杂过少，不易产生静电，但过多，由于导电率增加，电荷易泄漏，也不会产生大量的静电荷液体自身电阻率的影响其他影响静电产生的因素紧密接触，快速分离接触物材质、表面状况、数量和几何尺寸环境条件－湿度相对湿度大物体表面产生水膜，利于表面导电；空气中水分大，增加空气的导电性，利于静电荷的空间泄漏。静电荷的消散静电荷的消散途径－放电和泄漏泄漏途径：绝缘体表面泄漏和绝缘体内部泄漏，均依靠物体自身的体、表电阻率的影响，与电容放电规律类似，有经验公式Q电容剩余电荷， Q0泄漏前电容上的带电量，г泄漏时间常数（导体电容率与体电阻率的积）静电的防治减少静电荷的产生正确的选择材料选择不易起电的材料根据带电序列选用不同材料（正负相消法）对于必须选用绝缘材料时可选用吸湿性材料工艺的改进改进工艺方法，减少静电改变工艺操作程序湿法生产降低摩擦速度和流速西德规定在用管道运输油品时不同管径下的流速按下式计算v2D≦0.64静电的防治（续）减少特殊操作中的静电控制注油方式采用密闭装车减少静电荷的积累静电接地，单独接地电阻不大于100Ω增加空气的相对湿度，到70%时效果良好，尤其对于吸湿性材料采用抗静电添加剂增大该种材料的导电性和亲水性，使导电性增加，静电荷被带走静电的防治（续）减少静电荷的积累（续）采用静电消除器（又称静电消电器，静电中和器）防止带电原理：利用正负离子中和的方法，达到消除静电的目的。手段：借助空气电离或电晕放电分类：自感应静电消除器利用带电体的电荷与被感应放电针之间发生电晕放电使空气被电离的方式来中和静