1、9.4 静电的防止与利用静电的防止与利用 自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。在加油站给生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？一、静电平衡一、静电平衡 如图如图9.4-1甲，把一个不带电的金属导体甲，把一个不带电的金属导体ABCD放到电场强度为放到电场强度为 E 0 的的电场中。由于静电感应，在导体电场中。由于静电感应，在导体 AB 侧的平面上将感应出负电荷，在侧的平面上将感应出负电荷，在
2、 CD 侧的平面上将感应出正电荷。导体两侧出现的正、负电荷在导体内部产生侧的平面上将感应出正电荷。导体两侧出现的正、负电荷在导体内部产生与电场强度与电场强度E0 方向相反的电场，其电场强度为方向相反的电场，其电场强度为 E（图（图9.4-1乙）。这两个电乙）。这两个电场叠加，使导体内部的电场减弱。在叠加后的电场作用下，仍有自由电子场叠加，使导体内部的电场减弱。在叠加后的电场作用下，仍有自由电子不断运动，直到导体内部各点的电场强度不断运动，直到导体内部各点的电场强度E0 为止（图为止（图9.4-1丙），导体内丙），导体内的自由电子不再发生定向移动。这时我们说，导体达到静电平衡的自由电子不再发生定
3、向移动。这时我们说，导体达到静电平衡（electrostatic equilibrium）状态。处于静电平衡状态的导体，其内部的）状态。处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为电场强度处处为0。1静电平衡状态的实质静电平衡状态的实质 由于静电感应，在导体两侧出现等量异种的感应电荷，感应电荷在由于静电感应，在导体两侧出现等量异种的感应电荷，感应电荷在导体内部形成与原电场导体内部形成与原电场E0反向的电场反向的电场E，在导体内任一点，在导体内任一点EE0，使，使得合电场强度得合电场强度E内内0。2对孤立带电导体的理解对孤立带电导体的理解 对一孤立带电导体，可视为导体处于自己所带电荷的电场中，
4、达到对一孤立带电导体，可视为导体处于自己所带电荷的电场中，达到静电平衡时，也有两个基本特点：一是导体内部的场强处处为零，二是静电平衡时，也有两个基本特点：一是导体内部的场强处处为零，二是导体所带电荷只能分布在导体的外表面上。这种情况下导体内部场强为导体所带电荷只能分布在导体的外表面上。这种情况下导体内部场强为零的本质是：导体表面所带全部电荷在内部任一处产生的电场强度的矢零的本质是：导体表面所带全部电荷在内部任一处产生的电场强度的矢量和为零。量和为零。3对静电平衡时导体上电荷的分布的理解对静电平衡时导体上电荷的分布的理解(1)实心导体：导体内部无电荷，电荷只分布在导体外表面上。实心导体：导体内部
5、无电荷，电荷只分布在导体外表面上。(2)空腔导体：空腔内无电荷时，电荷分布在外表面上空腔导体：空腔内无电荷时，电荷分布在外表面上(内表面无电荷内表面无电荷)；空腔内有电荷时，内表面因静电感应出现等量的异号电荷，外表面有感空腔内有电荷时，内表面因静电感应出现等量的异号电荷，外表面有感应电荷。应电荷。对静电平衡的理解对静电平衡的理解 二、尖端放电二、尖端放电 静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。并且在导体静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。并且在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，周围的电场强度越外表面，越尖锐的位置，电荷的
6、密度（单位面积的电荷量）越大，周围的电场强度越大。在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运大。在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作空气的电离。动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作空气的电离。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。 这些带电粒这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电子在强电场的作用下加速，撞击空气中
7、的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷（图尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷（图9.4-2）。这种现象叫作尖端）。这种现象叫作尖端放电。放电。 将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板连接，保持与大地的良好接触，就成为避雷针（图板连接，保持与大地的良好接触，就成为避雷针（图9.4-3）。当带电的）。当带电的雷雨云接近建
8、筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。免雷击的目的。 尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的放电现象。晕，俗称电晕，这是一种微弱的放电现象。三、静电屏蔽三、静电屏蔽 处于静电平衡状态
9、的导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表处于静电平衡状态的导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。如果放入静电场中的是一个空腔导体，电荷分布又有什么特点呢？面。如果放入静电场中的是一个空腔导体，电荷分布又有什么特点呢？ 我们讨论带空腔的导体（图我们讨论带空腔的导体（图9.4-4）。静电平衡时，内表面没有电荷，）。静电平衡时，内表面没有电荷，导体壳壁导体壳壁W 内的电场强度为内的电场强度为 0，即电场线只能在空腔，即电场线只能在空腔C 之外，不会进入之外，不会进入空腔之内。所以导体壳内空腔里的电场强度也处处为。也就是说，无空腔之内。所以导体壳内空腔里的电场强度也处处为。也就是说，无论导体外
10、部电场是什么样的，导体内部都不会有电场。论导体外部电场是什么样的，导体内部都不会有电场。 导体壳的这种性质在技术上很有实用价值。把一个电学仪器放在封导体壳的这种性质在技术上很有实用价值。把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为 0，外电，外电场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。场对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。 使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？解释看使带电的金属球靠近验电器，但不接触，箔片是否张开？解释看到的现象。用金属网把验电器罩起来，再使带
11、电金属球靠近验电器，到的现象。用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，观察箔片是否张开（图观察箔片是否张开（图 9.4-5）。这个现象说明什么？）。这个现象说明什么？导体内部不受外部电场影响的情况导体内部不受外部电场影响的情况(1)现象：由于静电感应，验电器箔片张开，如图甲所示。将验电器放入导体网罩内现象：由于静电感应，验电器箔片张开，如图甲所示。将验电器放入导体网罩内部后验电器箔片不张开，如图乙所示，即外部电场影响不到导体内部。部后验电器箔片不张开，如图乙所示，即外部电场影响不到导体内部。(2)本质：是静电感应，导体外表面感应电荷与外电场在导体内部任一点的场强的叠本质：是静电感应，
12、导体外表面感应电荷与外电场在导体内部任一点的场强的叠加结果为零。加结果为零。2接地导体壳内部电场对壳外空间无影响的情况接地导体壳内部电场对壳外空间无影响的情况(1)现象现象如图甲所示，导体壳没有接地时，处于内部电场中，达到静电平衡，导体壳内外表如图甲所示，导体壳没有接地时，处于内部电场中，达到静电平衡，导体壳内外表面出现等量异种电荷，壳内外表面之间场强处处为零，壳外场强不为零。面出现等量异种电荷，壳内外表面之间场强处处为零，壳外场强不为零。导体壳接地后，如图乙所示，导体壳外的正电荷被大地负电荷中和，正电荷出现在导体壳接地后，如图乙所示，导体壳外的正电荷被大地负电荷中和，正电荷出现在地球的另一端
13、无穷远处，导体壳内外表面之间及导体外部场强处处为零，导体外部空地球的另一端无穷远处，导体壳内外表面之间及导体外部场强处处为零，导体外部空间不受内部影响。间不受内部影响。(2)本质：仍然是静电感应，使导体内表面感应电荷与壳内电荷在导体壳表面以外空本质：仍然是静电感应，使导体内表面感应电荷与壳内电荷在导体壳表面以外空间叠加结果为零。间叠加结果为零。 实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用。野外高压输实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用。野外高压输电线受到雷击的可能性很大，所以在三条输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，电线受到雷击的可能性很大，所以在
14、三条输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属形成一个稀疏的金属“网网”，把高压线屏蔽起来（图，把高压线屏蔽起来（图9.4-6），使其免遭雷击。），使其免遭雷击。 静电的危害可能随时发生。例如，医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；静电的危害可能随时发生。例如，医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸因此，静电的危害必须引起人们的警惕。因此，静电的危害必须引起人们的警惕。四、静电吸附四、静电吸附 静电虽然会有危害，但也可以利用。在电场中，带电粒子受到静电静电虽然会有危害，但也可以利用。在电场中，带电粒子受到静
15、电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。这一原理在生产技力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。这一原理在生产技术上被广泛应用。术上被广泛应用。1、静电除尘：、静电除尘： 设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来，这就是静电除尘。如图集起来，这就是静电除尘。如图9.4-8，静电除尘器由板状收集器，静电除尘器由板状收集器A和线状电离器和线状电离器B组组成。成。A接到几千伏高压电源的正极，接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且
16、距而且距B越近，电场强度越大。越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到子和电子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘
17、。者回收物资，如回收水泥粉尘。2、静电喷漆：、静电喷漆： 接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。工作。3、静电复印：、静电复印： 复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体 （OPC） 。没有光照。没有光照时，时，OPC 是绝缘体，受到光照时变成导体。复印机复印的工作过程如图是绝缘体，受到光照时变成导体。复印机复印的工作过程如图9.4-9所示。所示。课堂练习课堂练习
