举个栗子:为什么冬天静电多?

为什么冬天静电多?的头图

冬天静电多的主要原因是相对湿度低,所以摩擦产生的净电荷无法导走;而人体电容值低,人体和附近导体间容易产生高电压和高电场强度,从而击穿空气。冬天室内外的温差会进一步降低相对湿度,让静电现象更明显。本文尝试回答如下问题:为什么冬天静电多?为什么北方比南方静电多?为什么干燥的夏天不容易产生静电?怎么减少静电现象?

【为什么干燥的天气静电多?】

为什么冬天静电多?很多人会不假思索地回答:因为冬天更干燥。可见,干燥的时候静电多已经成为生活经验了。我们通常说的干燥与湿润,在科学上与相对湿度有关。空气中能容纳的最多水汽用饱和水汽密度表示,所谓相对湿度,指的是空气中实际水汽密度与饱和水汽密度的比值。当相对湿度越接近100%,我们会觉得空气中湿漉漉的;当相对湿度接近0%时,我们会觉得空气非常干燥。相对湿度比空气中实际水汽密度更能反映汗水离开皮肤的难易程度。

如下图所示,相对湿度大于55%之后,物体不容易积累高电压,就不容易产生静电现象。相对湿度对静电产生的影响表现在三个方面:1.相对湿度影响体表的导电能力,从而影响积蓄的净电荷离开人体的速度;2.相对湿度影响空气的导电能力,从而影响积蓄的净电荷离开人体的速度;3.高相对湿度增强水在物体表面的吸附,从而两种不同物体摩擦不容易产生净电荷的分布。

举个栗子:为什么冬天静电多?

纸的表面电阻在相对湿度80%时约为5E9欧姆(见下图);一个实验给出相对湿度80%时,大气电阻率是1E14欧姆?米量级(Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 123, 1295 1997,尽管该文介绍反常的电导和湿度的关系,但是测量到的数量级可以参考)。虽然这两个数据的物理量和单位不一样,考虑到纸的尺寸(厚度约1E-4米,长宽比近似为1),也可以判断出这两个数据代表了相近的导电能力。另一个研究发现,在一种小尺寸样品中,将相对湿度由90%减少到10%时,同样的摩擦所积累的电荷增加了20%(Nano Energy 2, 604 2013)。

举个栗子:为什么冬天静电多?

一方面,不管是相对湿度增加了体表导电能力还是增加了空气导电能力,总之相对湿度高时,摩擦产生的电荷很容易被导走,不容易积蓄出足以击穿空气的电压。另一方面,物体表面因相对湿度大而增加水汽吸附时,摩擦不容易起电,就从另一个角度减少了静电现象的产生。因此,干燥的天气静电多。

为什么北方比南方静电多,干燥的冬天比干燥的夏天静电多?

南方人到北方时,常会被提醒北方静电多,有人把它归结于冬天北方干冷,南方湿冷。事实上,相对湿度即使一样,北方还是比南方静电多。因为我国只有北方集体供暖,所以北方的室内外温差大于南方,这是北方比南方静电多的一个重要原因。

相对湿度决定了静电现象是否频繁出现。温度越高,饱和水汽密度值越大(如下图所示);如果室内外的空气水汽密度相同,那么室内温度高于室外,其相对湿度值就较低。从下图的数据可以看出,当室外0摄氏度、室内25摄氏度时,饱和密度相差约4倍;也就是说,尽管室内外的空气中含有相同数量的水分子,室内的相对湿度只有室外相对湿度的1/4。从上面的分析可以判断,北方冬天的户外静电现象不如室内明显,这和生活经验是一致的。当然,户外静电现象不明显还有别的原因,比如户外的水泥地面导电能力强于室内的木地板或者地毯。

举个栗子:为什么冬天静电多?

室内的人类活动会产生额外的水汽增加湿度。然而,如果室内外温差大,额外的水汽也容易由室内跑到室外,就像从冰箱拿出饮料,冷饮罐上凝聚的水珠就来自室内空气中的水汽。南方和干燥的夏天都因为室内外温差小而静电现象不明显,如果冬天南方的室内有取暖设备的话,我们也会觉得室内比平常的冬天干燥,静电现象也会增加。

【怎样减少静电现象?】

从上面的介绍中,已经可以看出:减少静电现象最好的通用方法是增加湿度,例如将相对湿度增加到50%或更高。水泥地面比木头地面导电能力强,更不容易让人体积蓄电荷。此外,还有一些因人而异、因地制宜的方法:穿皮制的鞋、穿棉质的衣服、给地板座椅和地毯喷防静电涂层等。如果不想被“电”到手,开门可以先用钥匙接触门把手之类的导体;如果担心静电影响发型,可以使用让头发更湿润的护发素。工业上,可以使用防静电地板、表面带金属箔的鞋,也可以通过空气离子化机(air ionizer)让空气导电(相对湿度太低时,空气离子化机是无法减少静电现象的)。科研工作中,由于静电可能破坏极小面积的薄电极,所以科研人员操作此类样品时,需要一直将身体通过引线接地。

(作者:锁相,科研工作者)

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