靜電對策的基礎知識

彙整了靜電對策的基礎知識、靜電引發的故障或破壞,以及關於靜電消除器的常見Q&A。

日常生活中大家熟悉的靜電,其產生的原因主要是由於

  1. 物體相互摩擦(摩擦帶電),
  2. 以及將貼合的物體剝離(剝離帶電)

這兩種現象所造成,而事實上有更簡單的現象也會產生靜電。

〈接觸帶電〉

接觸帶電是指因兩個物體彼此靠近並接觸後,讓物質帶有正電或負電的現象。

接觸帶電示意圖

  • 接觸帶電示意圖 物體靠近
    物體靠近
  • 接觸帶電示意圖 物體接觸
    物體接觸
  • 接觸帶電示意圖 分離
    分離

如上圖所示,當兩個物體相互接觸時,因各自帶有的表面能量不同,其中一方因物質表面帶有的電子殼中的電子(負電)跑出去而成為帶正電的一方,而另一個物體則因對方的電子(負電)跑過來而成為帶負電的一方。
這就是靜電產生的原因。

基本上靜電是在物體接觸的瞬間產生(接觸帶電),因此因摩擦造成的帶電(摩擦帶電)也是接觸帶電的一種。只不過因摩擦而帶電(摩擦帶電)時,接觸面會因彼此摩擦而增加接觸面積,或因摩擦而使物質表面的溫度上升等,其產生的靜電量相較於接觸帶電時要大許多。

把彼此接觸的物體剝離(分離)時(例如撕開膠時等),就會發生強烈的帶電現象。
雖然此現象與Q1所說明的「接觸帶電」相同,但由於是剝離(分離)的動作造成帶電,因此一般稱為「剝離帶電」。
此剝離帶電的現象,若物體的密合度越高,所產生的靜電就越大。 另外,帶電量也取決於剝離速度。(剝離速度慢時會持續發生少量的靜電放電,因此帶電量會變少,但剝離速度快時,由於靜電放電會受到抑制,因此帶電量會變多)

由於靜電也是電的一種,因此首先會有正(+)靜電與負(-)靜電。
而這兩種靜電分別所具有以下所示的性質。

  • +靜電
    +靜電

    帶正電的帶電物

    跑離帶電物方向的靜電力產生作用

  • -靜電
    -靜電

    帶負電的帶電物

    往帶電物方向跑的靜電力產生作用

此外,帶有相同極性電荷的物質若相互靠近,物質之間會產生互相排斥(排斥力)的作用力,而帶有不同極性電荷的物質之間則會產生相互吸引(吸引力)的作用力。
此時產生的靜電力稱為「庫倫力」(單位:N),其電荷量與力的關係以「庫倫定律」來表示。

作用於點電荷的庫倫力
作用於點電荷的庫倫力

金屬體也會帶電。
通常金屬體(導體)常被認為不會帶電,但是若如下圖所示呈現電氣絕緣的狀態,仍舊會與絕緣體相同,會隨著摩擦或剝離等現象而產生靜電。

金屬體(導體)的帶電狀況

  • ■ 已接地時
    已接地時

    若已實施接地,雖然進行摩擦、剝離等動作時會產生靜電,但靜電會立刻通過接地線進而被去除。

  • ■ 未接地時
    未接地時

    若未實施接地,則摩擦、剝離等動作所產生的靜電將無處可去,因此沒有辦法讓靜電獲得釋放。(帶電)

據說人體能感覺得到的靜電一般在±3000 V(±3 kV)以上。
下表內容描述靜電對人體造成的衝擊以及與電壓之間的關係,請參考此表的內容。

靜電對人體的衝擊以及與電壓的關係
人體的電擊電位[kV] 電擊強度
1.0 完全無感覺
2.0 手指外側感覺觸電,但不會痛
3.0 感覺到如被針刺到的刺痛感
5.0 從手掌到前臂感覺疼痛
6.0 手指感到強烈疼痛,且上臂感覺沉重
7.0 手指、手掌感到強烈疼痛與麻感
8.0 從手掌到前臂有麻麻的感覺
9.0 手腕強烈疼痛,手部感覺麻痺
10.0 手部整體感到疼痛及電流通過的感覺
11.0 手指感到強烈麻感,手部整體感覺到強烈電擊
12.0 手部整體感覺到強烈打擊

「靜電安全指南」產業安全研究所篇

帶電序列
帶電序列

兩種物質因接觸或摩擦而帶電時,其中一方將帶正電,另一方則帶負電。
在這種情況下,該物質(例如紙張等)是否就絕對帶有正電?然而,實際上並非如此,而是有時候可能會帶正電,也可能會帶負電。
那麼,物體會帶正電或負電是取決於什麼條件?其實並非取決於物質本身的材質,而是取決於與其接觸(摩擦、剝離)的物質的組合。
換句話說,即使是通常帶正電的物質,一旦與更容易帶正電的物質接觸(摩擦、剝離),它就會成為帶負電的一方。如上述,物質的帶電極性會視接觸對象而變化,而將此帶電極性的傾向依次排列的序列稱為「帶電序列」。

由於帶電序列是將各類物質的材質按照容易帶正電或容易帶負電的傾向依順排列而成,因此欲判斷所接觸的物質將帶正電或負電時,可將此序列當作參考依據。
另外,在帶電序列上順序離得越遠的物質,通常接觸時的帶電量會越大。(雖然在帶電序列的概念上相同材質接觸時不會發生帶電的現象,但事實上即使是相同材質也會發生帶電現象。然而相較於帶電序列上順序距離較遠的物質而言,其帶電量則偏小)

查看方式範例

  1. 玻璃與棉花摩擦時
    玻璃:帶正電
    棉花:帶負電
  2. 棉花與鐵氟龍摩擦時
    棉花:帶正電
    鐵氟龍:帶負電

電場是指存在於帶電的物體周圍,且帶電物的電荷能產生作用力的區域。
例如,當某個空間內有帶電物(電荷)存在時,就會以該帶電物為中心呈球狀向外擴散,且距離中心越遠,其力量強度就越弱。
另外,此電場的強度稱為「電場強度」。電場強度並不僅是力量的強弱,同時是具有方向性的力量。
(當帶電物帶有正電時,將產生從中心朝外側方向的作用力,而帶負電時則產生由外側朝中心方向的作用力)

電場示意圖
電場示意圖

形成點電荷的電場強度

假設某個空間內存在點電荷Q[C],作用於該電荷的力為F[N],此時電場強度為

E=F/Q[V/m]

(電場單位[V/m]代表每一單位距離的電位差),因此

F=EQ[N]

而形成點電荷的電場強度則可以下列公式來表示:

E=Q/4πε0r2 ε0:真空電容率、r:距離


由此公式可得知點電荷Q[C]的電場強度與電荷量成正比,與點距離電荷的距離[r]的二次方成反比。

電力線是由法拉第所發明,以視覺方式來描述靜電力的虛擬曲線,並根據以下三項規則進行描繪。

  1. 電力線是由正電荷朝負電荷方向畫的線。

  2. 電力線不會在沒有電荷的地方中斷,也不會有2條以上電力線相交。

  3. 通過某個閉曲面的電力線數量與該閉曲面內所含的電荷量成正比。


因此在描述電力線的密度時,靜電作用力較弱的地方描繪的曲線較稀疏,靜電作用力較強的地方描繪的曲線則較稠密。

電力線的描繪範例

帶正電荷的點電荷的電力線
帶正電荷的點電荷的電力線
有正負2種點電荷存在的電力線
有正負2種點電荷存在的電力線
帶電體(導體)的電力線
帶電體(導體)的電力線
帶電體附近有導體時的電力線
帶電體附近有導體時
的電力線

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