大学电气工程-静电防护教学课件

第8章静电防护何为静电？

静电就是物体表面过剩或不足的相对静止的电荷，它是电能的一种表现形式。静电是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子转移而形成的。静电场：由这些不平衡的电荷产生的电场，它能影响一定距离内的其它物体，使之感应带电或对其放电。常见的静电现象古希腊人发现毛皮摩擦橡胶棒后能吸起碎纸屑；人在干燥季节脱化纤衣服发生放电；运送汽油的油车，油箱里的汽油不停的晃动，油箱上积累的电荷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飞机高速飞行与空气流的摩擦，

静电电压高达数千伏，产生的静电力会影响生产，导致通讯系统误动作，静电放电产生的火花会引起可燃液体、可燃粉尘的着火、爆炸。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起电固体隧道效应经典物理学认为，物体越过势垒（障碍），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。固体隧道效应1957年日本江崎玲於奈博士在研制新型高频晶体管时，发现了异常的负阻现象。他认为是由于电子空穴直接穿透结区而形成的，为隧道效应提供了有力的证据并开辟了一个新的研究领域——固体中的隧道效应。1973年获物理学诺贝尔奖。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。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。为什么突然分开能产生上万伏电压？1796年伏特（英）发现带电序列正极:

空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铅→丝绸→铝→纸→棉花→钢铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍、铜→黄铜、银→金、铂→硫黄→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥轮→聚氨酯→聚乙稀→聚丙稀→聚氯乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四氟乙稀:负极固体的起电(续)物理效应起电压电效应，石英晶体在1kg/cm2的压力下，几十毫伏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厚度的电偶层液体－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、水锈等静电的特点高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏（人通常对3.5KV以下静电不易感觉到）低电量：静电流多为微安级（尖端放电例外）作用时间短：微秒级受环境影响大：特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降。静电的度量1、静电荷单位：库仑(C)。通常我们讲到静电势，则以“伏特(V)”为单位。2、面电荷密度：

σ

=

Q/S

（σ单位：C/m2

）式中：Q—电量，S—表面积3、库仑定律：

Q

=C

V

式中：Q—电量，C—电容，V—电压从静电学来区分材料的导电情况静电导体：≤105Ω·cm（体电阻）例：金属静电亚导体：106~1010Ω·cm

防静电器材静电绝缘体：≥1011Ω·cm

普通塑料

注意：由于静电的特点（电位高，电量小），因此它与普通电工学中导体和绝缘体划分有所不同。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）在带电体的尖端对空气的放电，放电能量密度≦10－2mJ刷形放电（brushdischarge）带电量大的非导体与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；传播刷形放电（propagatingbrushdischarge）在刷形放电中，如果接地导体面积较大、较平滑，则会形成传播刷形放电，放电能量可上百mJ；静电放电形式及其能量火花放电(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堆积粉尘的放电(conedischarge，bulksurfacedischarge)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，人体静电火花的能量≥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，均受物体自身的体、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）

电阻率与泄漏半衰期的关系电阻率/Ω·cm半衰期/s10171200010161200101512010141210131.210120.1210110.01210100.00121090.00012泄漏半衰期：静电荷泄漏至原有电荷数量一般时需要的时间。静电引起火灾爆炸事故的条件引发火灾或爆炸的五个必不可少的条件：

(1)要有产生静电的条件；

(2)具备产生火花放电的电压；

(3)有能引起火花放电的合适间隙；

(4)电火花要有足够的能量；

(5)在放电间隙及周围环境中有易燃易爆混合物。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（又称静电中和器）防止带电原理：利用正负离子中和的方法消除静电手段：借助空气电离或电晕放电分类自感应静电消除器生产物料上的静电在放电针感应出极性相反的电荷，并在针尖附近形成很强的电场。当局部电场强度超过30时，空气被电离，形成电晕放电，产生正离子和负离子。在电场的作用下，正、负离子分别向生产物料和放电针移动，静电电荷得到中和。静电的防治（续）带附加高压的静电消除器在放电针上加上交、直流高压，加强电晕放电放射性除电器放射线中和器是利用放射性同位素使空气电离，，产生正离和负离子，消除生产物料上的静电。镭、钋等元素的同位素能放射射线。铊、锶等元素能放射β射线，都可作为