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第11章 静电学

曹植,字子建,曹操第三子,三国时期的著名诗人、文学家,他曾作过一首题为《待太子坐》的古诗,这首诗中描述了静电现象,诗是这样写的:白日曜青春,时雨静飞尘。寒冰辟炎景,凉风飘我身。

曹植这4句诗诗中描写的是雨后天晴的情景。

“曜”有照耀之意,“青春”是指可爱如春的青春大地;“时雨”就是及时而降的雨,“静”是使之静止、压住的意思;“辟炎景”是说驱除了炎热。诗的大意是:太阳发出白光,照耀着青春大地,及时的落雨压住了飞扬的飘尘,寒气驱走了炎热,凉风徐徐吹到我身上。

一般来说,飞尘指的是漂浮在空气中的灰尘,其颗粒直径约在0.1~10微米之间。由于气压、温度的不断变化,特别是空气中各种气体分子无规则运动的撞击,使这些灰尘颗粒能长期漂浮在空气中。一般来说,在农村,每升空气中约有8万粒灰尘,在大城市则可达30万粒,甚至多到70万粒。所以,城市的空气就显得很污浊。

经过雨的清洗,飞尘顿消,洁净如练,空气格外清新。为什么落雨可以静飞尘呢?原来,下雨时大气中的放电现象将空气中各种气体分子进行了加工,有的分子失去电子成为带正电的离子,有的分子则得到电子成为带负电的离子。地球是一个带有大量负电的巨大的带电体,由于静电感应,它能够使每个下落的雨滴的底部带正电而顶部带上等量的负电。

对这样一个急速下落的雨滴来说,空中的正离子很难与它接近。这是因为,雨滴下部的正电荷要排斥正离子,而在雨滴上部,由于上升气流的影响又把正离子吹开。只有空中的负离子,才容易受到雨滴下部正电荷的吸引而粘到雨滴上。因此,下落的雨滴往往带上很多负电荷。大家知道,带电体具有吸引轻小物体的性质。这样,在雨滴下落过程中,通道附近的飞尘就被吸引到带电雨滴上,正像带电的橡胶棒吸引纸屑一样,于是飞尘随着雨滴最后落到地面上。假如你在刚下雨时把一个干净的脸盆放到院子里,过一会再去看,脸盆底就沉淀了一薄层沙土,它们是粘附在雨滴上,随雨滴一起落到盆中的,这就是古诗名句“时雨静飞尘”中所包含的科学道理。

很早很早以前,地球上有一种亮晶晶的“小石头”,据说它是老虎死后的精魂入地变成的,因此人们称它为“琥珀”,又因为它晶亮透明,有着美丽的光泽,希腊的艺匠们就用它磨成各种珍贵的装饰品,因而又改叫“唬珀”。其实它是松树脂滴在地上,经过千万年演变成的化石,由碳、氢、氧等元素组成,属于一种非晶体的有机物,在我国,琥珀还是一种补心安神的名贵药材。

人们在工作和生活中总是能发现这样一个奇怪的现象:琥珀制品总是吸引毛发、羽毛、碎稻草等轻小物体。由于当时科学不发达,找不出原因,所以人们还以为是“妖魔”在作怪。公元前585年,古代希腊有位哲学家和数学家叫泰利斯,他家中也有一块琥珀。有一天他在家休息,顺便拿出琥珀来欣赏,并且用他的长袍反复摩擦琥珀,使琥珀的光泽更加夺目。但是,当他把琥珀放回原处时,突然发觉,桌子上的一片羽毛自动地向琥珀靠近,最后竟粘在琥珀上了。

泰利斯把羽毛拿开,一松手,结果羽毛照样被琥珀吸引过去。他又把羊毛和其他轻小东西放在琥珀附近做试验,结果这些轻小物体都能被摩擦后的琥珀所吸引。泰利斯无法解释这一奇怪现象,但他认为这个现象很重要,于是做了详细记录,所以现在我们就知道琥珀拾芥的故事。

静电无时无刻不存在于我们的生活中,它有时候干扰我们的正常生活,但任何事物都有两重性,都能在一定的条件下向相反的方向转化,那么,给人们带来许多麻烦的静电能不能变害为利,为人类服务呢?当然能,并且它还在各方面大显身手。如静电除尘、静电分离、静电植绒、静电纺纱、静电喷漆、静电复印等等。下面请看一个静电除尘的实验。

找一个带透明有机玻璃盖的广口瓶,紧贴瓶内壁放一个用干净的铁皮卷成的圆筒。瓶盖中心插进一根下端焊有金属球的铜丝,铁皮和铜丝分别接静电起电机的正极和负极。准备好以后,点燃一张纸,把瓶子倒扣在纸上,等里面充满灰蒙蒙的烟雾以后,盖好瓶盖,把瓶放正。开动起电机,瓶内的浓烟立刻急剧地翻腾起来,一会儿工夫,烟消了,雾散了,玻璃瓶内又变得清澈透明了。再看看铁皮筒上,却挂了薄薄一层脏东西,烟尘像俘虏一样被静电驱赶到铁皮上了。

这就是一个小型的静电除尘器。这个装置为什么有捕捉烟尘的本领呢?道理很简单,当起电机开动后,正负极之间就产生了很高的电压,因此铜丝和铁皮之间有很强的电场,而且距瓶中心的铜丝越近,电场越强。铜丝附近的空气中有少量的正负离子,它们在强电场的作用下将发生激烈运动并与其他的空气分子碰撞,使中性空气分子分离而产生大量的正负离子,正离子跑到接负极的铜丝上,得到电子,又变成空气分子,而负离子奔向接正极的铁筒的过程中,遇到烟尘,使烟尘带负电。所以烟尘被吸附到铁皮上,瓶内的空气就变得清洁透明了。

工厂使用的除尘器是把许多这样的圆筒并列起来,好像一块“蜂窝煤”,每个圆筒中心都绷紧一根与圆筒绝缘的金属丝。若将除尘器安装在烟囱下部,含有烟尘的气体从这个“蜂窝”的一端进入,出去时就留下所带的烟尘,变成了清洁的气体。

我们在工作和生活中总是不经意地在进行摩擦,伴随摩擦产生的静电也就跟工作和生活有着密切的联系,刚才讲到了静电对工作和生活具有很大的益处,但遗憾的是在许多情况下,“静电”却是不受欢迎的“不速之客”。

气候干燥的季节里,如果穿上旅游鞋在干净的地板上行走后,再伸手抓金属门柄,常常会有一股不同寻常的“悸动”——一个小火花跳到手上,麻得你不自在;当你准备跟人握手时,手一接触,常常会给对方造成一次电击,令人不快,这都是静电的“恶作剧”。究其原因,原来是身体与空气及周围物体摩擦带了电,由于旅游鞋底绝缘性能好,人体带的电荷不能泄放入地,一旦接触导体,就会发生火花放电,造成“不愉快”的电击。

我们都知道,物体带电后会吸起轻小的纸屑、绒线,当然也能吸引更小的灰尘。日常用的塑料制品、穿的化纤衣物都是摩擦起电的好材料和静电电荷的良好栖息地。这些物品在使用过程中总会因为发生摩擦而带电,使用不久之后,它们的表面就会吸附一层灰尘,鲜艳漂亮的用具、衣物也就黯然失色。

刚才讲的都是静电对生活造成的干扰,可是静电现象要是发生在生产中,后果就严重了。在化纤纺织工业中,用化纤丝如尼龙、腈纶、涤纶等织布时,由于化纤丝和金属部件发生摩擦而起电,带电的化纤丝相互排斥而松散,产生乱纱,给生产带来麻烦。橡皮胶是重要的工业原料,又是良好的绝缘体。在生产过程中,橡胶与金属摩擦、剥离及胶布撕裂时产生的静电电荷不易泄漏,积累过多就会发生电火花。由于橡胶制品在生产过程中有很多工序要用汽油和苯等易燃品,因此火花放电往往会引起火灾或爆炸。

印刷车间里,纸张由于跟机器和油墨摩擦而带电,常常吸在铅板或印刷机的滚筒上,影响连续印刷。摄影用的胶片,在生产过程中产生的静电电荷常常发生放电现象,使胶片感光形成斑痕而报废。在煤矿矿井中,由于种种摩擦产生的静电电荷,一旦发生火花放电就会引起瓦斯爆炸,给人们的生命财产带来巨大的损失。在火药和炸药的制造、调和、移动及贮藏时,伴随摩擦、分离、混合等现象会产生大量静电电荷,若不采取必要的措施,就容易造成爆炸、着火等静电灾害。

运油车行驶时,轮胎和路面摩擦会产生大量静电受静电危害最大的是石油工业。石油产品和蒸汽是危险的易燃易爆品,微弱的火花放电也会引起含有汽油或煤油蒸汽的空气燃烧爆炸,而石油生产和储运过程中,几乎处处有静电:石油在管道中流动,在管壁上产生静电;石油从管口流出,冲击金属容器会产生静电;石油液滴飞溅与空气摩擦会产生静电;石油通过过滤网会产生静电;石油在油罐车、油船中连续颠簸会产生静电;运油车行驶时,轮胎和路面摩擦、甚至向油罐中灌入不同规格的新油等等都会产生大量静电。若防电措施稍有疏忽,就有可能造成不可挽回的损失。

飞机在空中飞行时总要穿过云层,这时飞机与云中微小的冰或雪的晶体摩擦,从而使飞机带上大量的静电电荷,特别是飞机在雷雨天飞行时,雨滴溅落在飞机的表面也会使飞机带电。只要飞机上的静电放电电流超过5微安,无线电通信就要受到干扰,所以通常飞机上都装有静电放电器,以便中和静电电荷。汽车上的收音机在炎热干燥的季节里常因轮胎和路面摩擦产生静电干扰而无法接收。狂风卷起的沙砾往往携带大量的静电电荷,中断无线电通信,有时还会引起铁路、航空等自动信号系统的信号失误,造成严重事故。

可见,生产和生活中的静电一有时机就会兴风作浪,我们应该采取相应的措施制止静电的危害,这样生产和生活才能正常进行。

在天气干燥的夜晚,当你脱毛衣时,由于毛衣与内衣、头发摩擦起电,会发生“劈劈啪啪”的响声,如果在黑暗处,还会看到小火花。这时如果你的手去接触金属的门把手,还会遭到一阵电击,感到手发麻。这个现象就表明,摩擦起电能产生相当高的电压。有人运用电学知识估算过,直径为1厘米的小球,在摩擦起电时竟能达到45万伏的电压!

所以有人要问了,这么高的电压,人不是要触电身亡吗?不必担心,它不会使人触电身亡。为什么呢?原来,摩擦起电产生的电压虽然很高,但是,电量却很少,放电时间也很短,因此,在脱毛衣时,不会使人触电身亡。不过,在许多情况下,摩擦起电产生的放电火花却会造成很大的危害。例如,油罐车开动时,动荡的油和罐壁摩擦带电以后,因放电会引起油罐爆炸。又如电子计算机房的工作人员在地毯上行走,因摩擦使人体带电,当工作人员的手触碰电子计算机时,计算机里灵敏而又脆弱的电子元件就有可能会因为瞬间的高压放电而被损坏。

摩擦放电产生的电火花,有时还会引起火灾,造成巨大的损失,因此我们应该注意预防静电产生危害。

静电对我们的生产和生活有很大的危害,一不小心,它就会影响我们的正常生活,给我们带来巨大的损失,但人们只要掌握了科学知识,就能想出许多办法,驯服静电、消除危害。

如果你仔细去观察运输汽油的汽车,就会发现汽车后面总是拉着一条长长的“尾巴”——一根拖地的铁链条。这根铁链条就是一种消除静电危害的好方法,叫“接地”。把容易产生静电的部件用一个导体与大地连接,可以将静电电荷通过接地导体迅速引入大地,防止电荷的积累,避免静电危害。这是一种既简单易行又安全可靠的方法,现在已经被广泛运用。如输送石油的输油管道每隔100~300米就要接地一次;大型油罐要有好几个很深的接地板;铁路油罐车装卸油料的桥台、钢轨以及油轮码头都要有专门的接地设施;生产或加工易燃液体和可燃气体的金属设备及输送管道都有可靠的接地设备。不过,接地这种方法有很大的局限性,只适用于消除导体上的静电,对绝缘体上的静电则无能为力,因为绝缘体中的电荷不能移动,所以接地也无用的。

控制静电的另一个有效办法是增加空气湿度。因为空气干燥容易积累静电电荷,所以静电危害大多发生在天气干燥的季节。如果增加空气湿度,工作人员身上、机器各部件、被加工物体表面均可吸附一层水分,这样电阻变小,电荷产生以后将迅速流入大地。如果工作房间空气湿度在70%以上,一般可以防止静电危害。

油类、纤维质、塑料与橡胶等在加工、装运或使用期间往往产生静电,主要是由于这些物质的电阻率高,绝缘性能好,电荷不易泄漏。如果在这些绝缘物质中加入一些导电填料,做成导电橡胶、导电塑料、导电纤维等,可减小其电阻率,还可以为绝缘材料穿上“导电衣”,涂上一层金属粉末或导电漆,降低材料的表面电阻率,减小放电路径上的电阻,防止静电的产生。目前,导电纤维已被广泛用来做成防电工作服、手套、地毯、包装袋和缝纫线等。

卤水点豆腐,一物降一物。为了防止塑料、化纤制品等绝缘体积聚静电电荷,人们还研制了各种抗静电剂。汽油、柴油、煤油中加入少量的抗静电剂,就可以大大增强它们的导电性能,因此使用抗静电剂也是消除静电的一种“灵丹妙药”。

另外驯服静电还有一个绝妙的方法叫“以电治电”。在胶片生产和印刷生产中,湿度不宜过大,就可以设置“静电消除器”。它的工作原理是造成大量的带电离子,它们的电性与由于摩擦带上的静电电性相反,把摩擦起电的电荷中和掉。

人们还注意到,同一物体分别和几种不同物质组成的物体摩擦后,会产生完全不同的带电效果:有时带正电,有时带负电;有时带电显著,有时则微不足道。根据这种性质,人们对一些经常发生摩擦而带电的零部件的材料进行适当选择,就能破坏静电产生的条件。

总之,随着科学技术的日益发展,静电是一定能够被驯服的,那样我们的生产和生活就能全部恢复正常了。

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