又到了静电这位老朋友前来拜访的季节,说起静电,咱们一般首先会想到两件事——一是摩擦起电,另一件呢就是静电真烦人。
不过,静电其实不止摩擦起电一种,而静电在有些场合,带来的危害可远远不只烦人了,但妥善利用的话,静电又能为人类服务,接下来咱们就详细讲讲。
生活中最常见的静电是摩擦起电,也是平时把大家折磨得最惨的一个。小到握手的噼里啪啦,大到闪电的轰隆咔嚓,都是它的功劳。
在历史上,这也是被人类最早注意到并记录下来的电现象之一:在希腊语里,ἤλεκτρον(发音electron)就是琥珀的同义词,而琥珀容易起电蒙尘,公元前6世纪就被古希腊哲学家泰勒斯记录过。
虽然摩擦起电早已家喻户晓,但科学家还没有完全透彻地理解此现状……因为它的表现颇不稳定,成因复杂多样。比如说,我们上学时获得的大致印象是,谁更能抢电子,谁就带负电。如果只考虑材料,按说会有一个终极大boss,在抢电子的游戏中拔得头筹。
但现实中,对某些材料来说,摩擦起电抢电子大比拼不是一场强者通吃的游戏。而更像是玩石头剪刀布:丝绸输给纸张,纸张输给棉花,棉花输给玻璃,玻璃输给锌,而锌却又输给了一开始的丝绸!
可见,材料性质未必是唯一的因素,经过研究,目前公认一些影响因素有:材料本身性质、表面结构和走向、局部的粗糙度、摩擦的力度、环境湿度等等。
摩擦能生静电,但能生静电并不只靠摩擦。另一种静电就是压电,以石英、电气石(也称碧玺)为代表。
压电的原理是什么呢?打一个不精确的比方,就像一辆公交车,乘客不多时,面朝哪个方向站的都有,随着车里越来越挤,大家会不由自主地排出一个方向。从一边看全是正脸,另一边看则全是后背,此现状叫极化,会在压电材料的一端出现正电荷,而另一端出现负电荷。因为受热也会使晶格产生应力,所以有些压电材料还有热释电效应。
还有一类静电在太空中非常容易出现。太阳光中的高能紫外线和X射线照射物体时,会把电子驱赶出来,而在原先的位置留下一层正电荷。像在月球的表面,干燥细碎的月壤颗粒因为都携带着正电荷,会同性相斥,拔地而起,悬浮几米高,形成一层月尘“大气”(并不是气体),而月尘一旦遇到外来物,又很容易吸附。
拆过泡沫塑料包装的读者一定深有体会。静电悬浮的月尘对探月设备干扰很大,咱们的第一辆玉兔号刚上去一个多月(月球上的第二个白天)就出了动力问题,很可能主要是因为月尘进入内部造成的故障。阿波罗号月球车扬起的尘埃经久不落也是同样的原理,并不是地面摄影棚的效果。
大多数静电有害无益,令人讨厌。尽管静电的成因多种多样,主旨还是一个“静”字。如果产生了电荷却不流动,就可能积累成灾。
在北方冬天,屋里供着暖气,环境干燥,如果不用加湿器的话(虽然用了也可能杯水车薪),走动或者换衣时的静电难以导走,就累积在体表,伺机发泄。像平时把我们弄得手指酥麻的那些小火花,电压能达到上万伏。这一个数字听起来很骇人,而它背后的物理公式是这样的:
可以看出,电容和电压成反比,一个越小,另一个就越大。我们握手时,两手之间有一个极小的电容,所以只需少许电荷,就能产生一个高压把空气击穿,形成那个令我们颤抖的小电弧。不过大家不用怕,真正有杀伤力的是电流而非电压,生活静电的电荷量极小,所以电流也很微弱,不会致死致残的。
但是大家要当心,如果把这个能击穿空气的小电弧放到危险场合,就可能酿成大祸。例如油罐车,如果装得不满,油在罐里晃荡就可能摩擦起电引发爆炸。早期的油罐车都在车尾部位装一条铁链垂到地面上,就是要把静电及时送给大地。
现在的防静电措施就更多更可靠了:铁链换成导电橡胶,保证时刻按住大地,不会时断时续,也不会磕出火星。轮胎材料也采用导电橡胶。油罐内放置隔油板,减轻油料的冲击颠簸。
而加油站,从装卸油品到给车主加油也会有不少措施用来防静电,比如先放电再加油等等。还有面粉厂这类粉尘严重的行业,除了明火之外,对静电也是严防死守的,因为静电可能会引起可怕的粉尘爆炸,还会影响面粉的正常生产。
而喜欢自己装机的朋友们更是深有体会,裸手触摸电脑主板或内存芯片,机器可能会“变砖”。究其原因,同样是上面那个公式,静电产生的高压击穿了芯片。所以厂家寄过来的电子设备,通常包裹在能够缓释或导走静电的袋子里。
我们拆装这些设备的时候,也要先摸摸墙,或者另一只手扶住大机器的金属外壳。专门干电路维修的师傅们,桌上常备一块接地的导电橡胶,腕上也套着导电“手铐”。
在电子设备生产的上游——半导体行业里,对静电更是如临大敌。厂房里穿着超净服不只是罩住全身防止皮屑脱落,更是在衣服内编入导电细丝,鞋底掺入碳质的导电橡胶。即使在车间外围的“灰区”行走,也要穿防静电拖鞋。
笔者穿过几年这种拖鞋,软硬合适,经久耐磨,按说,在家里备一套,就能快乐地撸猫了。但是!穿这种拖鞋会极大提高触电的风险!(留给读者思考:为什么?)我们权衡一下,还是忍受一下噼里啪啦吧。
常乘飞机的朋友们可能会注意到,机翼上有许多尖尖的小刺。它们并不是通信天线,也不能提升动力,而是用来释放静电的,大名静电刷。飞机和空气高速摩擦,必然会产生静电,但没办法使用油罐车那样的拖地设备,于是利用静电在尖锐外形的部位会向空中释放的原理,安装了这些小尖刺。
而日常生活中能经历的规模最大的静电放电现象,应该就是闪电了,不过这一个话题太大,就不展开说了。
虽然大多数静电有害无益,但如果善加诱导,让它按照我们的意志行事,就能创造价值。
对静电最成功的使用案例应该就是复印机。它先在半导体上布满静电,再用光照射不该有字的地方,把这里的半导体变成导体,消除此处的静电,留下未被照射的静电区域吸附碳粉。
把大量电荷导入并约束在我们设计的位置,形成一个强大的电场,就能加速带电粒子,研究基础物理和许多相关的学科。比起回旋加速器来,这种静电加速器的成本低,占地小,在世界上获得广泛应用。
让压电效应产生的静电流动起来,可以制造石英谐振器。这是石英表的核心部件,为人们的生活带来过巨大便利(不过随着手机的普及,手表似乎只算服饰了)。
在喷涂行业,利用静电的同性互斥原理,可以使雾滴均匀分散。而当它们接近喷涂目标时,又能靠感应静电吸附上去。这个场面其实很眼熟,基本上就是月尘毁掉月球车的原理,但用到合适的地方,就是另一个效果了。