冬天為什么會(huì)產(chǎn)生靜電

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【冬天為什么會(huì)產(chǎn)生靜電】
    冬天靜電多的主要原因是相對(duì)濕度低,所以摩擦產(chǎn)生的凈電荷無法導(dǎo)走;而人體電容值低,人體和附近導(dǎo)體間容易產(chǎn)生高電壓和高電場(chǎng)強(qiáng)度,從而擊穿空氣。冬天室內(nèi)外的溫差會(huì)進(jìn)一步降低相對(duì)濕度,讓靜電現(xiàn)象更明顯。
    為什么干燥的天氣靜電多?
    為什么冬天靜電多?很多人會(huì)不假思索地回答:因?yàn)槎旄稍???梢?,干燥的時(shí)候靜電多已經(jīng)成為生活經(jīng)驗(yàn)了。我們通常說的干燥與濕潤(rùn),在科學(xué)上與相對(duì)濕度有關(guān)??諝庵心苋菁{的最多水汽用飽和水汽密度表示,所謂相對(duì)濕度,指的是空氣中實(shí)際水汽密度與飽和水汽密度的比值。當(dāng)相對(duì)濕度越接近100%,我們會(huì)覺得空氣中濕漉漉的;當(dāng)相對(duì)濕度接近0%時(shí),我們會(huì)覺得空氣非常干燥。相對(duì)濕度比空氣中實(shí)際水汽密度更能反映汗水離開皮膚的難易程度。
    如下圖所示,相對(duì)濕度大于55%之后,物體不容易積累高電壓,就不容易產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。相對(duì)濕度對(duì)靜電產(chǎn)生的影響表現(xiàn)在三個(gè)方面:1.相對(duì)濕度影響體表的導(dǎo)電能力,從而影響積蓄的凈電荷離開人體的速度;2.相對(duì)濕度影響空氣的導(dǎo)電能力,從而影響積蓄的凈電荷離開人體的速度;3.高相對(duì)濕度增強(qiáng)水在物體表面的吸附,從而兩種不同物體摩擦不容易產(chǎn)生凈電荷的分布。
    紙的表面電阻在相對(duì)濕度80%時(shí)約為5E9歐姆(見下圖);一個(gè)實(shí)驗(yàn)給出相對(duì)濕度80%時(shí),大氣電阻率是1E14歐姆?米量級(jí)(Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 123, 1295 1997,盡管該文介紹反常的電導(dǎo)和濕度的關(guān)系,但是測(cè)量到的數(shù)量級(jí)可以參考)。雖然這兩個(gè)數(shù)據(jù)的物理量和單位不一樣,考慮到紙的尺寸(厚度約1E-4米,長(zhǎng)寬比近似為1),也可以判斷出這兩個(gè)數(shù)據(jù)代表了相近的導(dǎo)電能力。另一個(gè)研究發(fā)現(xiàn),在一種小尺寸樣品中,將相對(duì)濕度由90%減少到10%時(shí),同樣的摩擦所積累的電荷增加了20%(Nano Energy 2, 604 2013)。
    一方面,不管是相對(duì)濕度增加了體表導(dǎo)電能力還是增加了空氣導(dǎo)電能力,總之相對(duì)濕度高時(shí),摩擦產(chǎn)生的電荷很容易被導(dǎo)走,不容易積蓄出足以擊穿空氣的電壓。另一方面,物體表面因相對(duì)濕度大而增加水汽吸附時(shí),摩擦不容易起電,就從另一個(gè)角度減少了靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此,干燥的天氣靜電多。
    為什么北方比南方靜電多,干燥的冬天比干燥的夏天靜電多?
    南方人到北方時(shí),常會(huì)被提醒北方靜電多,有人把它歸結(jié)于冬天北方干冷,南方濕冷。事實(shí)上,相對(duì)濕度即使一樣,北方還是比南方靜電多。因?yàn)槲覈?guó)只有北方集體供暖,所以北方的室內(nèi)外溫差大于南方,這是北方比南方靜電多的一個(gè)重要原因。
    相對(duì)濕度決定了靜電現(xiàn)象是否頻繁出現(xiàn)。溫度越高,飽和水汽密度值越大(如下圖所示);如果室內(nèi)外的空氣水汽密度相同,那么室內(nèi)溫度高于室外,其相對(duì)濕度值就較低。從下圖的數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)室外0攝氏度、室內(nèi)25攝氏度時(shí),飽和密度相差約4倍;也就是說,盡管室內(nèi)外的空氣中含有相同數(shù)量的水分子,室內(nèi)的相對(duì)濕度只有室外相對(duì)濕度的1/4。從上面的分析可以判斷,北方冬天的戶外靜電現(xiàn)象不如室內(nèi)明顯,這和生活經(jīng)驗(yàn)是一致的。當(dāng)然,戶外靜電現(xiàn)象不明顯還有別的原因,比如戶外的水泥地面導(dǎo)電能力強(qiáng)于室內(nèi)的木地板或者地毯。
    室內(nèi)的人類活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生額外的水汽增加濕度。然而,如果室內(nèi)外溫差大,額外的水汽也容易由室內(nèi)跑到室外,就像從冰箱拿出飲料,冷飲罐上凝聚的水珠就來自室內(nèi)空氣中的水汽。南方和干燥的夏天都因?yàn)槭覂?nèi)外溫差小而靜電現(xiàn)象不明顯,如果冬天南方的室內(nèi)有取暖設(shè)備的話,我們也會(huì)覺得室內(nèi)比平常的冬天干燥,靜電現(xiàn)象也會(huì)增加。
    怎樣減少靜電現(xiàn)象?
    從上面的介紹中,已經(jīng)可以看出:減少靜電現(xiàn)象最好的通用方法是增加濕度,例如將相對(duì)濕度增加到50%或更高。水泥地面比木頭地面導(dǎo)電能力強(qiáng),更不容易讓人體積蓄電荷。此外,還有一些因人而異、因地制宜的方法:穿皮制的鞋、穿棉質(zhì)的衣服、給地板座椅和地毯噴防靜電涂層等。如果不想被“電”到手,開門可以先用鑰匙接觸門把手之類的導(dǎo)體;如果擔(dān)心靜電影響發(fā)型,可以使用讓頭發(fā)更濕潤(rùn)的護(hù)發(fā)素。工業(yè)上,可以使用防靜電地板、表面帶金屬箔的鞋,也可以通過空氣離子化機(jī)(air ionizer)讓空氣導(dǎo)電(相對(duì)濕度太低時(shí),空氣離子化機(jī)是無法減少靜電現(xiàn)象的)??蒲泄ぷ髦?,由于靜電可能破壞極小面積的薄電極,所以科研人員操作此類樣品時(shí),需要一直將身體通過引線接地。