所有材料的不同之處在於電荷可以通過它們的程度。 導體 讓電荷流動，同時 絕緣體 阻礙指控的動議。 靜電學是專門研究電荷或靜止帶電體的領域。 靜電 當不動的電荷在物體上累積時會產生這種結果。 如果電荷流動，就會產生電流，電流就不再是靜止的。 移動電荷產生的電流通常被外行稱為電，本章的其他文章將對此進行討論。 靜電 是用於指定導致正電荷和負電荷分離的任何過程的術語。 傳導是用稱為 電導率， 而絕緣體的特點是 電阻率. 導致帶電的電荷分離可能是機械過程的結果——例如，物體之間的接觸和摩擦，或兩個表面的碰撞。 表面可以是兩個固體或一個固體和一個液體。 不太常見的是，機械過程可以是固體或液體表面的破裂或分離。 本文重點介紹接觸和摩擦。

電氣化過程

摩擦產生靜電的現象（摩擦起電）已為人所知數千年。 兩種材料之間的接觸足以引起帶電。 摩擦只是一種增加接觸面積並產生熱量的相互作用——摩擦 是描述兩個接觸物體運動的總稱； 施加的壓力、其剪切速度和產生的熱量是摩擦產生的電荷的主要決定因素。 有時摩擦也會導致固體顆粒的撕裂。

當接觸的兩個固體是金屬（金屬-金屬接觸）時，電子會從一個固體遷移到另一個固體。 每種金屬都具有不同的初始電勢（費米電勢），自然界總是朝著平衡方向發展——也就是說，自然現象會消除電勢的差異。 這種電子遷移導致接觸電勢的產生。 因為金屬中的電荷流動性很強（金屬是極好的導體），所以電荷甚至會在兩種金屬分離之前的最後一個接觸點重新結合。 因此，不可能通過將兩種金屬放在一起然後將它們分開來引起起電。 電荷將始終流動以消除電位差。

當 金屬 和 絕緣子 在真空中幾乎無摩擦接觸，金屬中電子的能級接近絕緣體的能級。 表面或大量雜質會導致這種情況發生，並且還會在分離時防止電弧（兩個帶電體 - 電極之間的放電）。 轉移到絕緣體的電荷與金屬的電子親和力成正比，每個絕緣體也具有與之相關的電子親和力或電子吸引力。 因此，正離子或負離子從絕緣體轉移到金屬也是可能的。 表 1 中的等式 1 描述了接觸和分離後表面上的電荷。

表 1. 靜電學中的基本關係 - 方程組

公式 1：通過金屬和絕緣體接觸充電

一般來說，表面電荷密度（) 接觸和分離之後 

可以表示為：

哪裡

e 是電子的電荷
N_E 是絕緣體表面的能態密度
f_i 是絕緣體的電子親和力，並且
f_m 是金屬的電子親和力

公式 2：兩個絕緣體接觸後充電

以下等式 1 的一般形式適用於電荷轉移
在具有不同能量狀態的兩個絕緣體之間（僅限完全清潔的表面）：

哪裡 N_E1 和 N_E2 是兩個絕緣體表面的能態密度， 

和  ^Ø₁ 和 ^Ø ₂ 是兩個絕緣體的電子親和力。

公式 3：最大表面電荷密度

介電強度（E_G) 周圍氣體的電荷上限
可能在平坦的絕緣表面上產生。 在空氣中， E_G 約為 3 MV/m。
最大表面電荷密度由下式給出：

方程式 4：球形粒子的最大電荷

當名義上的球形顆粒因電暈效應而帶電時，最大
每個粒子可以獲得的電荷由 Pauthenier 的極限給出：

哪裡

q_最大 是最大費用
a 是粒子半徑
e_I 是相對介電常數和

方程式 5：導體放電

帶電荷的絕緣導體的電勢 Q 是（誰）給的 V = Q/C 和
儲存的能量：

公式 6：帶電導體電勢的時間過程

在由恆定電流充電的導體中（I_G), 的時間過程
潛力描述為：

哪裡 R_f 是導體的漏電阻

公式 7：帶電導體的最終電位

對於長時間的課程， t >R_f C，這減少到：

存儲的能量由下式給出：

公式 8：帶電導體的儲能

當兩個絕緣體接觸時，由於其表面能的不同狀態，會發生電荷轉移（方程式 2，表 1）。 轉移到絕緣體表面的電荷可以在材料內部更深地遷移。 濕度和表面污染可以極大地改變電荷的行為。 特別是表面濕度通過增加表面傳導來增加表面能態密度，這有利於電荷複合，並促進離子遷移。 大多數人會從他們的日常生活經歷中認識到這一點，因為他們在乾燥條件下往往會受到靜電的影響。 一些聚合物（塑料）的含水量會隨著充電而變化。 水含量的增加或減少甚至可能會反轉電荷流的方向（其極性）。

相互接觸的兩個絕緣體的極性（相對正性和負性）取決於每種材料的電子親和力。 絕緣體可以按其電子親和力排名，表 2 中列出了一些說明性​​值。絕緣體的電子親和力是預防計劃的重要考慮因素，本文稍後將對此進行討論。

表 2. 所選聚合物的電子親和力*

* 一種材料與上面列出的材料接觸時會帶正電荷，當它與下面列出的材料接觸時會帶負電荷。 然而，絕緣體的電子親和力是多因素的。

儘管已經嘗試建立一個摩擦電系列來對材料進行排序，以便那些在與材料接觸時獲得正電荷的材料在該系列中比那些在接觸時獲得負電荷的材料更高，但尚未建立普遍認可的系列。

當固體和液體相遇（形成 固液界面), 由於液體中存在的離子遷移而發生電荷轉移。 這些離子來自可能存在的雜質的離解或電化學氧化還原反應。 由於在實踐中不存在完全純淨的液體，因此液體中總會有至少一些正離子和負離子可與液-固界面結合。 發生這種結合的機制有很多種（例如，金屬表面的靜電粘附、化學吸收、電解注入、極性基團的解離，如果容器壁是絕緣的，還包括液-固反應。）

由於溶解（離解）的物質一開始是電中性的，它們將產生相等數量的正電荷和負電荷。 只有當正電荷或負電荷優先附著在固體表面時才會發生帶電。 如果發生這種情況，就會形成一個非常緻密的層，稱為亥姆霍茲層。 因為亥姆霍茲層帶電，它會吸引相反極性的離子。 這些離子將聚集成一個更擴散的層，稱為 Gouy 層，位於緻密亥姆霍茲層表面的頂部。 Gouy 層的厚度隨著液體的電阻率而增加。 導電液體形成非常薄的古伊層。

如果液體流動，該雙層將分離，亥姆霍茲層仍與界面結合，而古伊層則被流動的液體夾帶。 這些帶電層的運動產生電位差（ 澤塔 電勢），移動電荷感應的電流稱為 流動電流. 液體中積累的電荷量取決於離子向界面擴散的速率和液體的電阻率 (r)。 然而，流動電流隨時間是恆定的。

高度絕緣或導電的液體都不會帶電——首先是因為存在的離子很少，其次是因為在導電性非常好的液體中，離子會非常迅速地重新結合。 實際上，帶電只發生在電阻率大於 10 的液體中⁷Ωm 或小於 10¹¹Ωm，觀察到的最高值 r 10⁹ 到10¹¹ 歐姆。

流動的液體會在它們流經的絕緣表面引起電荷積累。 表面電荷密度增加的程度受以下因素限制：(1) 液體中的離子在液-固界面重新結合的速度有多快，(2) 液體中的離子通過絕緣體傳導的速度有多快，或 ( 3) 是否發生穿過絕緣體的表面電弧或整體電弧並由此釋放電荷。 湍流和粗糙表面上的流動有利於帶電。

當高電壓（比如幾千伏）施加到半徑較小的帶電體（電極）（例如，電線）時，帶電體附近的電場很高，但隨著距離。 如果存儲的電荷發生放電，則放電將僅限於電場強於周圍大氣介電強度的區域，這種現象稱為電暈效應，因為電弧也會發光。 （人們在親身經歷過靜電電擊時，可能確實看到過小火花的形成。）

絕緣表面上的電荷密度也可以通過高強度電場產生的移動電子來改變。 這些電子會從與它們接觸的大氣中的任何氣體分子中產生離子。 當身體上的電荷為正時，帶電的身體會排斥已產生的任何正離子。 帶負電的物體產生的電子在遠離電極時會失去能量，它們會附著在大氣中的氣體分子上，從而形成負離子，並繼續遠離電荷點。 這些正離子和負離子可以停留在任何絕緣表面上，並會改變表面的電荷密度。 這種類型的電荷比摩擦產生的電荷更容易控制並且更均勻。 以這種方式可能產生的電荷的範圍是有限的。 表 3 中的等式 1 以數學方式描述了該限制。

要產生更高的電荷，必須增加環境的介電強度，方法是創建真空或對絕緣膜的另一表面進行金屬化。 後一種策略將電場吸入絕緣體中，從而降低周圍氣體中的場強。

當導體在電場中 （E） 接地（見圖 1）時，可以通過感應產生電荷。 在這些條件下，電場引起極化——導體的負離子和正離子的重心分離。 僅在一個點臨時接地的導體在與地面斷開連接時會攜帶淨電荷，這是由於該點附近的電荷遷移所致。 這解釋了為什麼位於均勻場中的導電粒子在電極之間振盪，在每個接觸點充電和放電。

圖 1. 通過感應對導體充電的機制

與靜電相關的危害

靜電積聚造成的不良影響範圍很廣，從觸摸帶電物體（如門把手）時的不適，到靜電引起的爆炸可能導致的非常嚴重的傷害甚至死亡。 靜電放電對人體的生理影響範圍從不舒服的刺痛到劇烈的反射動作。 這些影響是由放電電流產生的，尤其是由皮膚上的電流密度產生的。

在本文中，我們將介紹一些使表面和物體帶電（電氣化）的實用方法。 當感應電場超過周圍環境承受電荷的能力（即超過環境的介電強度）時，就會發生放電。 （在空氣中，介電強度由 Paschen 曲線描述，並且是壓力與帶電體之間距離的乘積的函數。）

破壞性排放可以採取以下形式：

• 橋接兩個帶電體（兩個金屬電極）的火花或電弧

• 橋接金屬電極和絕緣體或什至兩個絕緣體的局部或刷狀放電； 這些放電被稱為部分放電，因為導電路徑不會完全短路兩個金屬電極，但通常是多個和刷狀

• 電暈放電，也稱為點效應，出現在小半徑帶電體或電極周圍的強電場中。

絕緣導體具有淨電容 C 相對於地面。 表 5 中的等式 1 表示電荷和電勢之間的這種關係。

穿著絕緣鞋的人是絕緣導體的常見例子。 人體是靜電導體，相對於地的典型電容約為 150 pF，電勢高達 30 kV。 由於人是絕緣導體，他們會經歷靜電放電，例如當手接近門把手或其他金屬物體時有時會產生或多或少的疼痛感。 當電位達到大約 2 kV 時，將經歷相當於 0.3 mJ 的能量，儘管這個閾值因人而異。 更強的放電可能導致無法控制的運動，從而導致跌倒。 在工人使用工具的情況下，不自主的反射運動可能會導致受害者和可能在附近工作的其他人受傷。 表 6 中的方程式 8 至 1 描述了電勢的時間過程。

當感應電場的強度超過空氣的介電強度時，就會產生實際的電弧。 由於導體中電荷的快速遷移，基本上所有電荷都流向放電點，將所有儲存的能量釋放成火花。 當使用易燃或易爆物質或在易燃條件下工作時，這可能會產生嚴重影響。

接地電極接近帶電絕緣表面會改變電場並在電極中感應出電荷。 隨著表面相互靠近，場強增加，最終導致帶電絕緣表面局部放電。 由於絕緣表面的電荷流動性不強，只有一小部分錶面參與放電，因此這種放電釋放的能量遠低於電弧。

電荷和轉移的能量似乎與金屬電極的直徑成正比，最大約為 20 毫米。 絕緣體的初始極性也會影響電荷和轉移的能量。 帶正電錶面的局部放電比帶負電錶面的局部放電能量低。 無法確定， 先驗，與涉及導電錶面的情況形成對比的是，從絕緣表面放電轉移的能量。 事實上，由於絕緣表面不是等電位的，因此甚至無法定義所涉及的電容。

沿面放電

我們在等式 3（表 1）中看到，空氣中絕緣表面的表面電荷密度不能超過 2,660 pC/cm².

如果我們考慮絕緣板或厚度的薄膜 a，擱置在金屬電極上或具有一個金屬面，很容易證明當電荷沉積在非金屬面上時，電場被電極上的感應電荷吸入絕緣體。 結果，空氣中的電場非常微弱，比其中一個面不是金屬時的電場要低。 在這種情況下，空氣的介電強度不會限制絕緣表面上的電荷積累，並且有可能達到非常高的表面電荷密度（> 2,660 pC / cm²). 這種電荷積累增加了絕緣體的表面電導率。

當電極接近絕緣表面時，會發生沿面放電，其中大部分帶電錶面已變為導電狀態。 由於涉及的表面積很大，因此這種類型的放電會釋放大量能量。 在薄膜的情況下，空氣場非常弱，電極和薄膜之間的距離必須不超過薄膜厚度才能發生放電。 當帶電絕緣體與其金屬底塗層分離時，也可能發生沿面放電。 在這種情況下，空氣場突然增加，絕緣體的整個表面放電以重新建立平衡。

靜電放電以及火災和爆炸危險

在爆炸性環境中，劇烈的放熱氧化反應，涉及能量轉移到大氣中，可能由以下原因觸發：

• 明火

• 電火花

• 強無線電源附近的無線電頻率火花

• 碰撞產生的火花（例如，金屬和混凝土之間）

• 靜電放電。

我們只對最後一種情況感興趣。 各種液體的閃點（液體蒸氣與明火接觸時著火的溫度）和各種蒸氣的自燃溫度在本手冊的化學部分給出 百科全書. 與靜電放電相關的火災危險可參考氣體、蒸氣和固體或液體氣溶膠的可燃性下限進行評估。 如表 3 所示，此限制可能會有很大差異。

表 3. 典型的可燃性下限

只有當易燃物質的濃度在其爆炸上限和下限之間時，空氣和易燃氣體或蒸氣的混合物才會爆炸。 在此範圍內，最小點火能 (MIE)——靜電放電點燃混合物所必須具備的能量——高度依賴於濃度。 最小點火能量一直被證明取決於能量釋放的速度，進而取決於放電持續時間。 電極半徑也是一個因素：

• 小直徑電極（幾毫米的數量級）導致電暈放電而不是火花。

• 對於較大直徑的電極（幾厘米的數量級），電極塊用於冷卻火花。

通常，最低的 MIE 是通過剛好足以防止電暈放電的大電極獲得的。

MIE 還取決於電極間距離，並且在淬火距離（“distance de pincement”）處最低，在該距離處反應區中產生的能量超過電極處的熱損失。 實驗證明，每種易燃物質都有一個最大安全距離，對應於可能發生爆炸的最小電極間距離。 對於碳氫化合物，這小於 1 毫米。

粉末爆炸的概率取決於濃度，最高概率與 200 至 500 g/m 數量級的濃度相關³. MIE 還取決於粒徑，越細的粉末越容易爆炸。 對於氣體和氣溶膠，MIE 隨溫度降低。

工業實例

許多通常用於處理和運輸化學品的過程會產生靜電荷。 這些包括：

• 從袋子裡倒粉末

• 篩選

• 管道運輸

• 液體攪拌，尤其是在存在多相、懸浮固體或不可混溶液體液滴的情況下

• 液體噴灑或霧化。

靜電荷產生的後果包括機械問題、對操作員的靜電放電危害，如果使用含有易燃溶劑或蒸汽的產品，甚至會爆炸（見表 4）。

表 4. 與特定工業運營相關的特定費用

液態碳氫化合物，如油、煤油和許多常見溶劑，有兩個特性使它們對靜電問題特別敏感：

• 高電阻率，使它們能夠積累高水平的電荷

• 易燃蒸氣，這會增加低能量放電引發火災和爆炸的風險。

電荷可能在運輸過程中產生（例如，通過管道、泵或閥門）。 通過精細過濾器（例如飛機油箱加註過程中使用的過濾器）可能會導致產生每立方米數百微庫侖的電荷密度。 在儲罐流動填充過程中，顆粒沉降和帶電霧或泡沫的產生也可能產生電荷。

1953 年至 1971 年間，靜電導致了 35 起煤油罐加註期間或之後的火災和爆炸，更多事故發生在卡車油罐加註期間。 過濾器的存在或填充過程中的飛濺（由於泡沫或薄霧的產生）是最常見的風險因素。 油輪上也發生過事故，尤其是在清洗油罐時。

防靜電原理

所有與靜電有關的問題都源於：

• 電荷的產生

• 這些電荷在絕緣體或絕緣導體上的積累

• 這些電荷產生的電場，進而導致力或破壞性放電。

預防措施旨在避免靜電電荷的積累，選擇的策略是首先避免產生電荷。 如果這不可能，則應採取旨在使電荷接地的措施。 最後，如果放電不可避免，則應保護敏感物體免受放電的影響。

抑製或減少靜電荷的產生

這是應該採取的第一種靜電預防方法，因為這是從源頭上消除問題的唯一預防措施。 然而，如前所述，只要兩種材料（其中至少一種是絕緣的）接觸並隨後分離，就會產生電荷。 實際上，電荷的產生甚至可能發生在材料與自身接觸和分離時。 事實上，電荷的產生涉及材料的表層。 由於表面濕度或表面污染的最細微差異都會導致靜電荷的產生，因此不可能完全避免電荷的產生。

要減少接觸表面產生的電荷量：

• 如果材料具有非常不同的電子親和力——也就是說，如果它們在摩擦電系列中相距很遠，請避免讓它們相互接觸。 例如，避免玻璃和聚四氟乙烯 (PTFE) 之間或 PVC 和聚酰胺（尼龍）之間的接觸（見表 2）。

• 降低材料之間的流動速率。 這降低了固體材料之間的剪切速度。 例如，可以降低塑料薄膜擠出、輸送機上破碎材料的運動或管道中液體的流速。

沒有確定流量的明確安全限制。 英國標準BS-5958-Part 2  不良靜電控制實務守則 建議速度（以米每秒）和管道直徑（以米為單位）的乘積對於電導率小於 0.38 pS/m（以皮西門子每米為單位）的液體小於 5，對於液體小於 0.5電導率高於 5 pS/m。 該標準僅對以不大於 7 m/s 的速度輸送的單相液體有效。

應該注意的是，降低剪切力或流速不僅會減少電荷的產生，而且有助於消散所產生的任何電荷。 這是因為較低的流速導致停留時間高於與鬆弛區相關的停留時間，鬆弛區的流速通過增加管道直徑等策略降低。 這反過來又增加了接地。

靜電接地

靜電防護的基本規則是消除物體之間的電位差。 這可以通過連接它們或將它們接地（接地）來完成。 然而，絕緣導體會積聚電荷，因此可能會因感應而帶電，這是它們獨有的現象。 來自導體的放電可能會以高能且危險的火花形式出現。

該規則與關於防止觸電的建議一致，該建議還要求電氣設備的所有可觸及金屬部件按照法國標準接地 低壓電氣裝置 （NFC 15-100）。 為了最大限度的靜電安全，我們在這里關注的是，這條規則應該推廣到所有導電元件。 這包括金屬桌框、門把手、電子元件、化學工業中使用的罐以及用於運輸碳氫化合物的車輛底盤。

從靜電安全的角度來看，理想的世界是萬物都是導體並永久接地，從而將所有電荷轉移到大地。 在這種情況下，一切都將永久等勢，因此電場和放電風險將為零。 然而，由於以下原因，幾乎不可能實現這一理想：

• 並非所有必須處理的產品都是導體，許多產品不能通過使用添加劑來導電。 農產品和醫藥產品以及高純度液體就是其中的例子。

• 理想的最終產品特性，例如透光性或低導熱性，可能會排除使用導電材料。

• 金屬手推車、無繩電子工具、車輛甚至人工操作員等移動設備不可能永久接地。

防止靜電放電

應該牢記本節僅涉及保護靜電敏感設備免受不可避免的放電、減少電荷產生和消除電荷。 保護設備的能力並不能消除首先防止靜電荷積累的基本必要性。

如圖 2 所示，所有靜電問題都涉及靜電放電源（最初帶電的物體）、接收放電的目標以及放電傳播的環境（介電放電）。 應該注意的是，目標或環境都可能對靜電敏感。 表 5 列出了一些敏感元素的例子。

圖 2. 靜電放電問題示意圖

表 6. 對靜電放電敏感的設備示例

工人保護

有理由相信自己帶電的工人（例如，在乾燥天氣下車或穿著某些類型的鞋子行走時），可以採取多種保護措施，例如：

• 用鑰匙或工具等金屬片接觸接地導體，降低皮膚處的電流密度。

• 通過向耗散物體放電來降低電流的峰值，如果有的話（桌面或特殊設備，例如帶串聯電阻的保護腕帶）。

爆炸性環境中的保護

在爆炸性環境中，環境本身對靜電放電很敏感，放電可能導致著火或爆炸。 在這些情況下的保護措施包括用含氧量低於爆炸下限的氣體混合物或惰性氣體（例如氮氣）替換空氣。 惰性氣體已用於化學和製藥行業的筒倉和反應容器中。 在這種情況下，需要採取充分的預防措施以確保工人獲得充足的空氣供應。

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