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2.物体带电与电场感应
从原理上说,绝对不带电的物体是不存在的,任何物体都会不知不觉地就会带上电。每种物质都有一个代表自己性质的位能,两种不同性质的物体靠近在一起就会产生 “接点电位差”。当两种不同性质的物体接触在一起时,这两种物质在其体内就要对电荷进行重新分布,使物体保持电中性,例如:P型半导体与N型半导体互相接触,在两物体的交界处就会产生PN结,在PN结内部会产生一个空间电荷区,这个空间电荷区的产生,必然要进一步使P型半导体和N型半导体——两个物体的内部都要对电荷进行重新分布。这时,如果再把两个物体分开,两个物体都将会带电,一个带正电,另一个带负电。
物体带电,相当于自身的位能增加或降低了,若带电物体再次与其它不同性质的带电物体接触后又分开,两带电物体又会带上更多的电荷,即:位能在不断增加或降低,静电感应发电机就是根据这个原理制造的。
在两个用有机玻璃材料做成的轮子上,按等分距离把两种不同性质的条状金属片,分别镶在两个有机玻璃轮子某一则的表面之中,相当于金属片一面绝缘,一面暴露。然后,把两个镶有条状金属片的有机玻璃轮子的绝缘面互相靠在一起,并按相反方向转动,两个轮子上不同性质金属片将互相感应带电,同时也使两个有机玻璃轮子局部极化带电,两个有机玻璃轮子上的金属片每对上一次,通过静电感应,一个金属片的电位会继续升高,而另一个却要降低。这样,两边金属片上积累的电荷将越来越多,最后,可以分别用两个金属毛刷把金属片上积累的电荷收集到莱顿瓶中(用玻璃瓶做成的电容器),当莱顿瓶中积累的电荷达到一定的数量后,即:电压超过某个值后,莱顿瓶的两个电极开始放电,并产生火光及响声。
图3是一个让物体产生高压电的原理图,在水龙头的下面安放一个用金属薄片制作的圆圈(用金属罐头盒改制),金属圆圈必须要与周围绝缘,然后让水龙头流出的水正好从金属圆圈的中央穿过,金属圆圈很快就会带电,并且电压非常高,一般可达一万伏以上。用试电笔做试验时,当试电笔离金属圆圈还很远的地方,就可以看到试电笔被点亮,甚至拿一个小荧光灯靠近,也可以看得到荧光灯微亮。这说明电压非常高,但对人体不存在被触电的危险,因为金属圆圈的电容量很小,存储的能量有限。
这个原理与摩擦发电的原理是很接近的,首先是水与周围空气生产摩擦使空气带电(空气被电离成正、负离子,由于正离子比较重,很容易被水带走),然后带电空气会感应金属圆圈带电,或负离子直接与金属圆圈接触,使金属圆圈带负电。我们也会发现,在大瀑布附近的空气中负离子的浓度非常高,或下暴雨的时候,空气中负离子的浓度也很高,主要原因就是速度极高的流水或雨滴会让空气产生电离带电。
冬天人们走在地毯上也经常会发现,当手突然碰到楼梯金属扶手的时候,会感到手被麻电,这也是因为人体穿的皮鞋与地毯摩擦产生带电,然后传到人的身体上。其实人体带电一般自己是没有感觉的,哪怕人体带上几万伏的电压,一般人体也没有感觉,只有带电人体与其它物体接触产生放电时才会感觉麻电。例如:在冬天没有灯光的夜里,人们脱尼龙衫或毛线衣的时候,会发现衣服之间有蓝色火光,并且还伴随着啪、啪、啪的放电声,这证明衣服已经带上非常高的电压。
带电物体是具有能量的,即:电场具有能量。带电体的能量为:
(6)
上式中,C为带电体的电容,U为带电体的电位。带电体的能量属于位能,当要计算带电体的能量的时候,必须指出参考点,如果不特别指出,一般都把地球作为参考点,或把无限远处作为参考点,即:把地球作为零电位,或把无限远处作为零电位。把地球作为零电位比较方便,因为,我们所使用的一切物体都是来自地球,无论你怎样对它加工或运作,新产生的电荷总是在原有电荷的基础上进行叠加,所以不需要再用过问物体原来带的电荷是多少。带电物体的电容由下式求得:
(7)
上式中,电容C的单位为法拉,ε为介电常数(在真空中为1),S为带电物体与参照物体之间电力线互相照射的面积(与电场垂直,单位米2),在国际单位制中k = 9×109牛顿?米2/库仑2,d为带电物体到参照物的有效距离(单位米)。
实际上电场干扰,或电场感应,都是通过电容的工作原理进行的,电场对电子设备中其它电路的干扰,不但与电场强度有关,还与被干扰电路参考点的位置有关,以及带电物体的电容量有关。如果要精确计算某带电体对其它物体产生的电感应,就必须熟练地应用(6)式和(7)式来计算各个物体之间的电容。同一个带电体相对不同的其它物体,因为相对位置以及电场强度不同,其电容量也不同。知道了电容容量就可以计算电容的充放电过程,从而可以求出电压、电流、功率等各种参数。
图4是带电物体对其它物体产生感应的原理图。图4中,A是带电物体,其电位为U0,E表示电场强度或电场力线,Q0为其带电量;带电物体A对物体B和物体C均会产生电场感应,U1和U2分别为物体B和物体C被物体A感应产生的对地电位;Q1和Q2分别为物体B和物体C被物体A感应产生的电荷量。带电物体A的电荷Q0越多,其电位U0就越高,并且其对物体B或物体C产生感应影响的力度就越大。
因此,我们可以用电容来定义电荷与感应电压的关系,即:用电容表示单位电压感应产生的电量: (8)
上式中,电容C的单位为法拉,电荷Q的单位为库仑,电压V的单位为伏特。
设:物体B和物体C没受带电物体A感应之前,所带电荷以及对地电位均为零,则:电荷Q1和Q2,电压U1和U2都是由于带电物体A对物体B和物体C感应产生的电荷和电压;U0越高,感应产生的U1和U2对地电位就越高,以及电荷Q1和Q2就越多,由此可求得:
上式中,V1 = U0– U1,V2 = U0– U2,C1和C2分别表示带电物体A对物体B和物体C产生电场感应互相影响的力度,电容容量越大,表示两者产生电场感应互相影响力度就越大。因此,这里我们还可以把(8)、(9)、(10)式中的电容C定义为电荷感应系数,与磁感应中的互感系数(或磁感应系数)M相互对应。由此可知,电容C不但可以表示一个带电物体存储电荷的多少,而且可以表示带电物体对其它物体产生影响的力度。
在电子设备中,由于MOS电路的阻抗很大,而其电容非常小,因此,只要带电体产生很小能量的电荷转移,或静电感应,就能把MOS电路击穿。因此,在生产或调试含MOS电路的电子设备的时候,要注意静电感应和工作人员的身体不能带电。在没有采取任何措施的情况下,人体一般都带有几十伏甚至数百伏的静电电压,当人手触及还没有接入电路中的IC时,很容易会把IC击穿。对还没有使用的IC保存或者包装也要注意静电感应,最好把IC保存在金属盒或具有防止静电感应的塑料盒内。防静电感应塑料一般都是在塑料中混入导电物质。
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