7 靜電的危害及防護(hù)

電氣安全（ElectricSafety）東北大學(xué)火災(zāi)＆爆炸防治實(shí)驗(yàn)室Fire&ExplosionProtectionLaboratory(FEPL)李剛第7章靜電的危害及防治Staticelectricity常見(jiàn)的靜電現(xiàn)象皮帶傳動(dòng)打滑時(shí)，皮帶上的靜電吸取、灌注和儲(chǔ)運(yùn)易燃液體（汽油、酒精），靜電電壓高達(dá)數(shù)千伏，引起汽油蒸汽爆炸粉塵在空間浮動(dòng)和空氣相互摩擦碰撞，附件又有接地金屬時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)火花引起爆炸運(yùn)送汽油的油車，油箱里的汽油不停的晃動(dòng)，輪胎是絕緣的，電荷在油箱上積累人體帶靜電飛機(jī)高速飛行與空氣流的摩擦尼日利亞最大城市拉各斯的一條汽油管道2006年12月26日發(fā)生爆炸，爆炸造成至少260人死亡。靜電的產(chǎn)生簡(jiǎn)單地說(shuō)，靜電是由兩種物質(zhì)相互摩擦而產(chǎn)生的，失去電子的帶正電，得到電子的帶負(fù)電固體、液體和氣體靜電起電原因各有特點(diǎn)固體的起電接觸分離起電兩個(gè)不同固體材料接觸距離達(dá)到25埃（10-10m）就有電荷的轉(zhuǎn)移發(fā)生（隧道效應(yīng)）逸出功使一個(gè)電子從物體內(nèi)部轉(zhuǎn)移到物體外部真空中去外力所做的功w偶電層兩金屬間產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷層兩金屬界面的電位差V12有關(guān)系eV12＝w1-w2V12在十分之幾至幾伏之間。為什么突然分開(kāi)時(shí)能產(chǎn)生上萬(wàn)伏的電壓？1796年伏特（英）發(fā)現(xiàn)帶電序列（＋）石棉-玻璃-云母-羊毛-貓皮-鉛-鎘-鋅-鋁-鉻-鐵-銅-鎳-銀-金-鉑（－）隧道效應(yīng)1957年受雇于索尼公司的江崎玲於奈發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加PN結(jié)兩端的電壓時(shí)電流反而減少，這種反常的負(fù)電阻現(xiàn)象解釋為隧道效應(yīng)。1962年，年僅20歲的英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究生約瑟夫森預(yù)言，當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體之間設(shè)置一個(gè)絕緣薄層時(shí)，電子可以穿過(guò)絕緣體從一個(gè)超導(dǎo)體到達(dá)另一個(gè)超導(dǎo)體。不久得到P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實(shí)驗(yàn)觀證實(shí)——電子對(duì)通過(guò)兩塊超導(dǎo)金屬間的薄絕緣層（厚度約為10埃）時(shí)發(fā)生了隧道效應(yīng)，于是稱之為“約瑟夫森效應(yīng)”。宏觀量子隧道效應(yīng)確立了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而穿透絕緣層，使器件無(wú)法正常工作。隧道效應(yīng)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過(guò)勢(shì)壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過(guò)，大于此能量則可以越過(guò)。例如騎自行車過(guò)小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過(guò)去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢(shì)壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過(guò)去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)（quantumtunneling）?？梢?jiàn)，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。固體的起電(續(xù))物理效應(yīng)起電壓電效應(yīng)，石英晶體在1kg/cm2的壓力下，可產(chǎn)生百分之幾的電位差熱電效應(yīng)石英晶體也有熱電現(xiàn)象感應(yīng)帶電指靜電場(chǎng)對(duì)金屬導(dǎo)體的感應(yīng)帶電現(xiàn)象液體靜電的產(chǎn)生液體流動(dòng)帶電電阻率較高的液體在金屬管道里流動(dòng)時(shí)，由于液體里有雜質(zhì)，在金屬管壁上形成約一個(gè)分子層的電偶層液體－氣體界面起電水是極性分子，當(dāng)水分裂成細(xì)末時(shí)，水滴呈正電性，飛沫呈負(fù)電性，即雷納效應(yīng)（雷納在阿爾卑斯山的尼亞加拉瀑布前發(fā)現(xiàn)的）氣體靜電的產(chǎn)生純凈的氣體不容易產(chǎn)生靜電分子間距是分子直徑的幾十倍接觸機(jī)會(huì)少氣體產(chǎn)生靜電的原因加壓時(shí)，接觸機(jī)會(huì)加劇氣體內(nèi)部含有灰塵、金屬粉末、液滴、水銹等靜電的危害引起火災(zāi)及爆炸電擊直接傷害二次傷害影響生產(chǎn)電子器件誤動(dòng)作防礙生產(chǎn)，吸附塵埃、粉體吸附于設(shè)備、印刷時(shí)紙張不齊（不能分開(kāi)）靜電放電形式及其能量電暈放電（corona）在帶電體的尖端放電，放電能量密度≦10－2mJ(傳播)刷形放電（propagatingbrushdischarge）帶電量大的非導(dǎo)體與較平滑的接地導(dǎo)體之間易產(chǎn)生刷形放電。沿面放電，放電通道有分叉呈樹(shù)枝狀，放電能量可達(dá)mJ級(jí)堆積粉塵的放電(conedischarge，bulksurfacedisch.)呈現(xiàn)能量較集中的放電回路，放電能量的級(jí)別在10－2～102mJ，是比較危險(xiǎn)的放電形式火花放電(sparkdischarge)帶電體和和接地體在間隙很小的情況下間隙間突然放電，不分叉，瞬間可釋放較集中的能量，達(dá)到數(shù)百mJ靜電火花引發(fā)粉塵爆炸危險(xiǎn)性人體放電人體是靜電的導(dǎo)體，放電形式為火花放電，能量集中，危害性較大坐在木凳上身體可產(chǎn)生2萬(wàn)伏電壓，在地板上走過(guò)可積蓄5萬(wàn)伏電壓人體靜電火花能量：人體電容（我國(guó)）約在150~350pF假定靜電電壓數(shù)千伏靜電火花的能量≥0.2mJ足以引燃飽和烴及其衍生物的爆炸性環(huán)境靜電荷的累積靜電荷累積靜電荷產(chǎn)生產(chǎn)生靜電物體的電學(xué)特性和產(chǎn)生靜電荷條件和環(huán)境電學(xué)條件固體材料的電阻率越大，產(chǎn)生靜電越高，反之亦然物體的起電能力帶電的最大電位/kV物體的表面電阻率/Ω不帶電0.01106以下微量帶電0.01~0.1106～108帶電體0.1~1108～1010高帶電體1以上1010以上靜電荷的累積（續(xù)）電學(xué)條件液體靜電的產(chǎn)生取決于含雜和液體自身的體電阻率含雜過(guò)少，不易產(chǎn)生靜電，但過(guò)多，由于導(dǎo)電率增加，電荷易泄漏，也不會(huì)產(chǎn)生大量的靜電荷液體自身電阻率的影響其他影響靜電產(chǎn)生的因素緊密接觸，快速分離接觸物材質(zhì)、表面狀況、數(shù)量和幾何尺寸環(huán)境條件－濕度相對(duì)濕度大物體表面產(chǎn)生水膜，利于表面導(dǎo)電；空氣中水分大，增加空氣的導(dǎo)電性，利于靜電荷的空間泄漏。靜電荷的消散靜電荷的消散途徑－放電和泄漏泄漏途徑：絕緣體表面泄漏和絕緣體內(nèi)部泄漏，均依靠物體自身的體、表電阻率的影響，與電容放電規(guī)律類似，有經(jīng)驗(yàn)公式Q電容剩余電荷， Q0泄漏前電容上的帶電量，г泄漏時(shí)間常數(shù)（導(dǎo)體電容率與體電阻率的積）靜電的防治減少靜電荷的產(chǎn)生正確的選擇材料選擇不易起電的材料根據(jù)帶電序列選用不同材料（正負(fù)相消法）對(duì)于必須選用絕緣材料時(shí)可選用吸濕性材料工藝的改進(jìn)改進(jìn)工藝方法，減少靜電改變工藝操作程序濕法生產(chǎn)降低摩擦速度和流速西德規(guī)定在用管道運(yùn)輸油品時(shí)不同管徑下的流速按下式計(jì)算v2D≦0.64靜電的防治（續(xù)）減少特殊操作中的靜電控制注油方式采用密閉裝車減少靜電荷的積累靜電接地，單獨(dú)接地電阻不大于100Ω增加空氣的相對(duì)濕度，到70%時(shí)效果良好，尤其對(duì)于吸濕性材料采用抗靜電添加劑增大該種材料的導(dǎo)電性和親水性，使導(dǎo)電性增加，靜電荷被帶走靜電的防治（續(xù)）減少靜電荷的積累（續(xù)）采用靜電消除器（又稱靜電消電器，靜電中和器）防止帶電原理：利用正負(fù)離子中和的方法，達(dá)到消除靜電的目的。手段：借助空氣電離或電暈放電分類：自感應(yīng)靜電消除器利用帶電體的電荷與被感應(yīng)放電針之間發(fā)生電暈放電使空氣被電離的方式來(lái)中和靜