寒冬时节,天干物燥,有时当你触碰门把手、暖气片,会骤然火花一闪,指尖一麻——“静电!”这是在宏观世界的叫法,你知道火花一闪的背后,潜藏着怎样的物理原理吗?
静电发生制
提起静电,人们往往会联想到“摩擦生电”,但并不是“只有摩擦才能生电”。由于不同原子的原子核对电子的束缚能力不同,物体相互靠近时,电子就会在物体之间发生转移,从而导致电荷在物质系统之间的不均匀分布,打破原本的平衡状态。所谓静电,其实就是这些发生转移、在某一物体上积累下来的电荷。而由这些电荷引发的诸多现象,如头发炸毛、电脑屏幕粘上灰尘等,就是静电现象。
在产生静电的过程中,摩擦会发热,加强电子的活性,使电荷更容易发生转移。所以摩擦只会促进生电,但并不是生电的必要条件。
从宏观的角度来看,我们的活动使得身体、衣物同地面、空气等产生摩擦,使电子在它们之间发生转移,从而使身体带电。我们的鞋子大多是橡胶底,橡胶的绝缘性良好,身体累积的电荷不可能通过鞋导给大地。于是身体的电荷逐渐累积,也就产生了静电。
一般而言,静电现象在北方比在南方更为常见,在冬天比在夏天更为常见,这与不同湿度下空气的导电能力有关。相对湿润时,空气中漂浮着大量微小液滴,可以转移身体的一部分电荷。而冬天气候干燥,特别是北方室内有供暖,室内外温差更大,大的温差会降低空气相对湿度。湿度较低时,空气中可以转移电荷的液滴非常少,因此摩擦带来的电荷很容易积累起来。
虽然不同物品之间摩擦都会产生静电,但是丝绸、棉布一类的纤维材料,有较好的吸湿性,也就是易吸收水分在其表面形成水分子膜,电荷会在导电性更好的水分子膜上流通、传导,最终逸散到空气中。而化纤吸湿性较差,会导致电荷不断积累,最终产生静电。
“我的指尖会放电”
我们平时所谓的“被电到”以及看到的一刹那火花,并不是静电产生的结果,而是由静电放电导致的。
通常条件下,空气是不带电的。当已经积累了较多电荷的身体与其他物体距离足够近(接触而未接触时),并且它们之间的电压差也足够大时,两者之间的空气就会被“击穿”。所谓“击穿”,是指空气在强大的电压差下发生了电离,主要是空气中的氮原子的原子核和电子被分离。
这样一来,被剥夺了电子的空气分子就成了正离子。被剥夺出来的电子同正离子碰撞、复合,两者结合之后组成的原子会处于能量较高的状态,有自发地以电磁波的形式释放能量的趋势。而我们被电到的时候看到的火花,其实就是这一释放能量的电磁波。
伴随放电过程的,往往还有被“咬”的感觉,这是电荷转移刺激神经的结果。痛觉的程度同电压高低有关:当静电电压达到2000伏特时,便有轻微的感觉;达到4000伏特以上时,接触他人或导体便会产生火花。人体产生的静电有时候甚至可以达到上万伏特。当然,人体静电的电荷量是很小的,虽然电压很高,但产生的电流量却非常小,所以完全不会导致生命危险。
如何减少静电
1. 从根源上避免
首先,在室内可以使用加湿器提高空气湿度,从而减少静电。
在着装上,尽量不要穿化纤、羊毛材质的衣物,贴身衣物最好是纯棉或丝绸制品。还有一些衣物在材料中会添加金属丝,选取这类衣物也能有效地避免电荷积累。此外,穿脱衣服时尽量放慢动作,因为动作越快、幅度越大,摩擦力越大,也就越容易产生静电。
对于头发的静电,可以经常使用护发素,保持头皮湿润。梳头发时不推荐使用塑料梳子,塑料本身摩擦力大,且头发留住电子的能力没有塑料强,如果使用塑料梳子,头发中带负电荷的电子被剥夺,留下的正电荷会导致头发之间互相排斥,越梳越不顺畅。使用打磨光滑的木梳或者牛角梳,能够有效减少与头发的摩擦,从而减少静电的产生。
2. 从途径上转移
根据尖端放电原理,当身体积累大量电荷后,可以用整个手掌捏住钥匙,再用钥匙的尖端接触门把手、暖气片等零电位导电的金属器进行放电。此时电荷主要集中在钥匙尖端,可以用钥匙的尖端代替皮肤来放电。而手掌与钥匙接触面积较大,能有效避免电击感。
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