烦死了！一到冬天就起静电，到底有没有人能管管啊？

执笔情长

开个门被金属把手电得吓一跳……
夜里脱件毛衣一路火花带闪电……
就连撸个猫也噼里啪啦带音效……


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。


摩擦起电，并不简单



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**的同义词，而**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这种现象……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。


静电可不只是擦出来的


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，这种现象叫极化，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比较容易出现。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，很可能就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。



玉兔号月面漫游车 来自Wikipedia


静电的危害到底有多大？


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。这个数字听起来很骇人，而它背后的物理公式是这样的：


电荷量 = 电容×电压


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，因为静电可能导致可怕的粉尘爆炸，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。专业从事电路维修的师傅们，桌上常备一块接地的导电橡胶，腕上也套着导电“手铐”。



电子设备外的防静电包装 作者实拍


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最大规模的静电放电现象，应该就是闪电了，不过这个话题太大，就不展开说了。


善用静电


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，就可以加速带电粒子，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。



静电加速器 来自Wikipedia


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。


所以，多多理解就能化敌为友，似乎是个颠扑不破的道理呢！


来源：科普中国

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