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举个栗子:为什么有静电?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 266次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:为什么有静电?

【为什么头发会竖起来?】    

下图中的小孩用手摸着一个带电体,她的头发竖起来了。这是怎么回事?“这是静电现象”,很多人能脱口回答。生活中我们能看到很多类似的静电现象,比如在干燥的冬天有时就会看到手指和金属物品之间有电火花。那么,什么是静电现象?它是怎么发生的?  

 举个栗子:为什么有静电?

(图片来源:http://www.sott.net/article/230815-Can-Tsunamis-Create-Static-Electricity)  

我们的世界由原子组成,原子里原子核携带正电荷,电子携带负电荷。一个物体虽然拥有大量的电子,但正常情况下整体呈电中性。如果原子失去或获得一些电子,就成为携带正电荷或负电荷的离子,物体就可以携带上净正电荷或者净负电荷,我们称它们为带正电或者带负电。从中小学课本上我们知道,一些物体之间的摩擦就可以改变电荷的分布,比如用玻璃摩擦树脂,玻璃会带上正电,树脂也会带上等量的负电。  

物体所携带的净电荷突然释放,这个过程称为静电放电,通俗的说法叫做静电。人体由于可能携带净电荷,所以有时候就会有静电放电发生。  

电荷分正、负,同号电荷会互相排斥。当人体积累起净电荷时,同号的电荷会尽量互相远离,均匀分布在人体的表面。如果电荷间的斥力能让电荷间平均距离增大,带电体将更稳定。平时,头发因为重力作用贴住头皮,但如果人体表面电荷重新分布的能量改变大于头发竖起的重力势能,头发便会向上竖起。那么,上图中的小孩怎么没有因为静电作用而双手都向上举起呢?因为胳膊抬起来的势能远大于头发竖起来的势能,电荷斥力太小不足以让双臂张开。  

这里我们提到电荷分布在表面,而不分布在体内,这是因为人体内有大量的液体和电解质,人体被作为一个导体近似处理。电场是传递电荷相互作用的物理场,它对电荷作用力的大小表示为电场强度。导体内部的电荷会向表面移动,直到电荷分布产生的电场与外界电场互相抵消,这时候导体内部的电场强度为 0。高斯定理规定,电场强度在封闭曲面上的面积分与曲面内电荷量有关;因为导体内部电场强度处处为零,所以电荷处处为零。换句话说,导体内部电荷为零,电荷只出现在导体表面,只有面电荷分布。  

【如何衡量静电大小?】    

如果把人体作为一个孤立导体,它存储电荷的能力称为电容,导体会因为存储电荷而存在电压。电压是两点间的电势差,如果是人体,这里指人体和大地的电势差。孤立导体的电容很小,商业化的电容器件单位最多只以国际单位法拉的千分之一或者百万分之一表示,即使是地球,简单地当一个导体球近似也不过是 7E-4 法拉,如果在地球这个孤立导体上存储 1 伏的电压(这时候参考无穷远处为电压零点),地球的静电能也不过是 3.5E-4 焦耳。  

化学方法存储的能量远远高于孤立导体能存储的静电能。1 克蛋白质就可以提供 4000 卡路里,而 1 卡路里等于 4.18 焦耳。因为卡路里作为人体能量摄入单位过小,通常用大卡表示食物能量;1 大卡等于 1000 卡路里,但是大卡和“小卡”都可能被人们简称为“卡”,需要根据上下文分辨。  

静电大小适合用电压来衡量。由于孤立导体的电容非常小,能存储的能量非常小,所以日常活动,如走动摩擦地毯、活动身体摩擦毛衣,所引起的电荷积累可以让人体积累非常高的电压,比如到 2 万伏,引起静电现象。虽然 2 万伏比市电的 220V 高约百倍,但是这 2 万伏的高压对应的能量很小,一般不会伤害人。  

【为什么会有电火花?】    

放电现象我们并不陌生,雷雨天的闪电跟生活中的静电放电没有本质区别。天空里闪电发生前,电荷被积累于云中;生活里静电发生前,电荷被积累于人体中。放电产生的电火花,其实就是空气中电荷通过的途径。被击穿区域的空气会变热,人体放电产生的热量可以用人体积攒的电能估算,与人体这个电容有关,也与静电电压大小有关。正常情况下,空气是非常好的绝缘体,可是当电场强度达到大约 4–30 千伏/厘米大小时,空气就会被击穿。这里的击穿指电场强度太大,绝缘体短暂变为导体。4–30 千伏/厘米的电场强度相当于我们把市电的火线、零线靠到距离 0.5 毫米以内,生活中插座的正负极之间不会那么近,所以不会产生放电现象。  

 举个栗子:为什么有静电?

(图片来源:http://www.school-for-champions.com/science/static_sparks.htm#.UyFqyYWvB9s)  

静电不仅干扰生活,还可能引发安全隐患。诸如可能影响手机和电脑工作,在有可燃气体的情况下甚至可能引发火灾和爆炸。

(作者:锁相,科研工作者)


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