大学电气工程-静电防护教学课件

• 传播刷形放电（propagating brush discharge ）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(spark discharge)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
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
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
– 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）
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。
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-w2 – V12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
• 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（quantum tunneling）。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。
气体静电的产生
• 纯净的气体Leabharlann 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
• 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（brush discharge）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；
• 静电导体：≤105 Ω·cm（体电阻） 例：金属 • 静电亚导体：106~1010 Ω·cm 防静电器材 • 静电绝缘体：≥ 1011 Ω·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
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。
• 堆积粉尘的放电(cone discharge，bulk surface discharge) 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
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=CV 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
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。