静电学与现代静电技术

． 《静电》季刊12卷1期 龟孪 裔电 静电学与现代静电技术 黄久生 刘尚合 C ．／，／ 军械工程学院静电技术研究所 Z 摘要 静电学是电学中最古老的学科，现在静电应用技术和静电防护技术已越来越 受到人们的重视。而对经典静电学作一较为详细的回顾也是很有意义的。本文综述了经典静电 学的发展史和其在物理学中所起的作用。概括了十六世纪到十九世纪科学家对静电现象和静 电规律的研究及本世纪静电技术的发展概况。 1．古代人类对静电的认识 25oo年前左右，古希腊哲学家塔勒斯Thai。 ， (640--546B．c)在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀(Amber)之后也有类 似于磁石能吸引轻小物体的性质。所以，塔勒斯成为有历史记载的第一个静电实验者。电这个 词起源于希腊语￡ p (琥珀)。 公元三世纪，晋朝张华的《博物志》中也有记载：“今人梳头。解著衣，有随梳解结，有光者， 亦有咤声”这里记载头发 摩擦起电发出的闪光和噼啪之声。 但直到16世纪，除了偶尔发现埃尔摩(Elmo)火外，对静电别无其它记载。埃尔摩火是发生 在船桅杆上或其附近的发光现象 在航行于地中海的水手中间长久流传着一个“神火”的故事， 他们在暴雨将来临的危急时刻，多次地发现在桅杆上有一种不祥的火光，开始时水手们把它看 做末日的来临，但他们多次平安脱险后，这火光反而变成了安慰的源泉，水手们把它命名为圣． 埃尔摩火，用来象征他们所信仰的圣徒埃尔摩的保护 2．近代静电学基础理论的建立 Will~an Glibert(英国人，1540--1603)~" 复r塔勒斯实验。他想为什么琥珀这个用于装饰用的东西摩擦之后会有吸引轻小物体的性质， 是否其它的珠宝也有类似的性质呢?他用其它的珠宝作实验，结果发现钻石、蛋白石和蓝宝石 也有象琥珀佯吸引其它轻小物体的性质，见图1。他后来还发现其它物体也有类似的性质，如紫 晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、腊等。他注意到这些物质经摩擦之后虽然能吸引轻小物体，但不象 磁石那样具有北方的性质。他把这些用摩擦能带电的物质叫作“摩擦起电体(Electrics) 。 而把摩擦不能带电的物体叫“非摩擦起电体(no．electrics) 。 田1 Gi]bert的摩擦起电物体 图2 Gilbert的验电器 5l 维普资讯 http://www.cqvip.com 为进一步研究这些物体的吸引能力，Gilbert还发明发第一个验电器(Vers0rium)用来检 验带电物体．这是一个中心可以转动的}R轻的术材或垒属做成的细针·当摩擦过的琥珀靠近 时，细针可以转动．见图2。他还发现在天气干燥时这些物体容易产生吸引力。Gilbert被称为是 电学之父 不久，Otto Von Guericke (1602--1686，撼国人)发现电的排斥现象。如果把带 电棒接近金属屑时，它们开始吸引，然后排斥。 黛 囝3 Guerlcke的斑璜球卑撺静电趋电机 圈4 Hnuksbee的发光机器 1678年Guericke制造了第一个摩擦静电起电机。他把硫磺粉碎熔化后灌入一个直径为六 英寸的空玻璃球内．在其中间插入一条术棒作为轴，硫磺冷却后，把玻璃破碎．做成一个硫磺 球。当球迅速转动井用布或直接用手摩擦硫磺球时能产生很大的火花，见图3。1709年英国科学 家Francis Hauksbee(1666--1712)做了一个类似于Guericke的静电发生器．用一个大轮带 动一个小轮使得球转得更快，他计算球的线速度达到29英尺／秒，当用毛皮摩擦球时，强烈的放 电会使球发出绿光，见图4。当他把脸贴近带电球时他觉得有一股微风吹来。这种摩擦静电起电 机经过不断改进，后来在静电实验中起过重要的作用，直到十九世纪W．Holtztr和Topler分 别发明感应起电机后才被取代。他还发明了第一个静电计(Electroscope)。把弯曲的稻草挂在 绝缘的金属棒的一端，他发现当带电体接近时稻草会排斥而张开。他的另一个重大发现是t当 把两个相距1英寸的球放在一起．而摩擦其中之一时，两球都发光，这一现象在当时他不了解， 实际上这就是静电感应现象。 图5 Grmy的胄}玻璃营、细绳和象牙球做的实验 田6 Gray孟挂的竭 Stephen Gray(英国人，1666--1736)．在1720年发现丝绸，千木材．毛发经摩擦也能起电。 他在研究琥珀吸引特性的传递时发现了导体和非导体的区别。他摩擦一根约一米长的空玻璃 管．为了保持玻璃管内干净．他把一塞子塞入玻璃管的一端，当他瘁擦玻璃管时，他发现塞子也 能吸引轻小物体。他认为这种吸引力可以传递。从此，他继续以实验来试验电的这种传递能力。 他把一个直径约为一英寸的象牙球钻--4,~L．然后插入一小木棒，小木棒的另一端插到玻璃管 的塞子上，他发现摩擦玻璃管时．这球也具有7-1样的吸引力，见图5。他用了一根十八英尺长的 52 梅 维普资讯 http://www.cqvip.com 钓鱼杆代替小木棒，而且实验成功了。后来他试验了线，他发现连到玻璃管塞子上的线也能传 递这种性质，然后他把一条三英尺长的大麻绳连到塞子上．这象牙球仍然吸引。为了更进一步 试堕这种性质·馋站到房顶上去t炭理即傻站到34荚尺商t象牙仍锸嗄引羽毛 他 发现遑埋比 干线传递褥更远．由于在他的附近墩有更高的悬崖或建筑物。他想从水平方向延长这线。他把 线挂在一房屋的横梁．这时吸引力不再传递了。他认为电跑到横梁中去了。Gray的好友 Granvile Whelter建议用丝绸作悬挂线．因为丝线会阻止电的损失，在采用了Whelter的建 议之后·Gray把线增长到100术t这丝线再也承受不了如此的负荷。这时他又把丝线换为金属 线以增加其强度t然而他又发现实验不灵了．最后他又换戚更桓的丝线，实验又成功了。见图6． 从这些实验中，Gray认为某些材料如铁、铜是导体，而另一些材料如丝绸是绝缘体 Charles Du Fay(1698--1739。法国人)1733年重复了Gray的许多实验之后发现绝缘起 来的金属也可以摩擦起电。他认为任何物体只要绝缘起来之后都可带电．从而认为Gilbert把 物体分为“摩擦起电体 和“非摩擦起电体”是不对的。他用金泊做实验，他发现用摩擦带电的玻 璃棒使金泊带电之后金泊会排斥另一个带同种电的金泊。又会吸引用硬树脂摩擦带上电的金 泊，他认为有两种电，一种是Vireous Electricity“玻璃电”(现在我们叫正电)，另一种是 Resinous Electricity“树脂电”(现在称之为负电)。他想到 带相同电的物体互相排斥，带不同 电的物体彼此吸引。但他没有给这两种电定义正负极性。 富兰克林(Benjamin Franklin 。1706--1790)做了许多实验后认为有两种电荷存在。即 正电荷和负电荷。他的 个有名的实验是两个人站在用腊做成的平台上，第三个人站在地面 上，用布摩擦玻璃棒后使站在绝缘台上的一个人带上玻璃棒的电，另一个站在绝缘台上的人带 上布的电·当这两个人的手指接触时会感到电击。若他们两个人的任何一个与站在地面上的人 接触后再用手指互相接触，电击弱些。在1747年，他认为摩擦后的玻璃棒带正电。而树脂带的电 为负电。虽然这是很了不起的一步。以后科学有可能将富兰克林的这种选择颠倒过来。如果真 是这样的话，屯子就可能定义为正的了而不是负的，当然电流的方向就是电子运动的方向而不 是其运动的反方向了。富兰克林认为静电的产生不是由于摩擦了摩擦起电体产生的。而是由于 “电流体 (Electric fluid)的转移，虽然这概念不完全正确，但是实际过程就与后来的发现基 本相符合。 Ewald(1700--1746。德国人)于1745年把玻璃瓶灌入半瓶水。上面塞上塞子，然后从塞子 中穿入一钉子恰好触及水面，把钉子的一头连到静电起电机上。使电能通过钉子传到水里。他 发现这瓶能贮电，贮存到一定程度之后它能吸引小物体或产生火花。他后来把水换成其它的液 体如水银、酒精后能产生更大的火花。这种能贮电的瓶就是第一个电容器。莱顿大学教授 Pieter von Mussehenbroek(1672—1761荷兰人)重复了Ewald的实验。他把瓶的内外用金 属泊衬托，从瓶口的塞子中插入金属线，使它触及瓶内的金属泊发明了莱顿瓶(Leyden Jar)。 莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件，它对于电学知识的传播起了重要作用。Jeau Antoine Nollet(法国人)曾做了一个当时最为壮观的演示实验。他在巴黎大教堂．在路易 十五皇室成员面前，令七百个修道士手拉手地排成一条九百英尺长的队伍，当一端的人接触带 电莱顿瓶的外部，而另一端的人接触莱顿瓶的另一端时。七百个修道士全部因电击而跳起来， 莱顿瓶的发明也为富兰克林的重要发现提供了新的工具，富兰克林在莱顿瓶的内外壁分别连 一 导线，把导线分开一定的距离后放在桌子上，用丝绸线悬挂一塞子，使它在这两导线之间来 回摆动而分别触及这两导线。直到菜顿瓶不带电为止，这了莱顿瓶内外壁有正负电荷存 在。 53 维普资讯 http://www.cqvip.com 富兰克林发现尖端是最易“吸引”电。他在房顶上竖立一根尖杆来试验空气和云的带电极 性和特征．他能利用尖杆和黎顿瓶收集电荷。他的这个实验使他得到丁一个偶然的收获，他发 现了尖杆接地后能防止雷击。他还做了有名的风筝实验。有人会认为他在雷雨天气放风筝是很 愚蠢的，而事实上是他在1752年的一天做实验时雷雨正要来临。他在风筝上固定一根金属线， 以便从雷云中获取更多的电．雨淋湿了与风筝相连的细线．而这细线的一端连在莱顿瓶的一 端，当雷雨米临时，莱顿瓶上不断产生火花。他知道这种实验的危险性，并采取了合适的安全措 施。他用丝绸线连结到放风筝的细线上，用手拿着丝绸线而不是放风筝的线，并把莱顿瓶接在 连接丝绸线的前端，人必须站在室内使得丝绸线不湿。可是一德国科学家Gerog Wilheh Richman(1711--1753)在做类似的实验时被电死．他的助手也被电晕。 J0hn Clamon(17l8一l772)受富兰克林研究工作的启发，在1753年发现了带电体会使接 近它的金屠体的电荷迁移．即未带电的导体接近带电体时．未带电的导体上靠近带电体这端带 的电荷与带电体的电荷的极性相反，而另一端带的电荷与带电体的电荷极性相同。 1775年伏特(Alessandro Volta，l745一l827，意大利物理学家)发明了静电感应起电盘． 他利用静电感应起电盘能使导体产生电压很高的静电。 法拉第(Michael Faraday，l79l—l867．英国人)是位伟大的实验科学家。他的研究覆盏 了许多领域如化学、物理和电磁。他引入了带电体周围电力线的概念。他的一个很有趣的实验 是法拉第笼实验。他坐在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，他并未感到任何电击并且 验电器也无任何显示。他的另一个重要实验是法拉第桶(Faraday ice—pail)实验，当一带电体 接触金属桶的内壁时，电荷会转移到桶的外表面，这种现象的发生与桶外是否存在电荷无关。 最早提出电力平方反比定律的是英国人普利斯特利(Priestley，1737--1804)。酱利斯特利 的好友富兰克林曾观察到放在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上 荷的影响，他把这现 象告诉了普利斯特利，希望他重做此实验．1766年，普利斯特利做了富兰克林提出的实验，他使 空腔金属容器带电．发现其内表面没有电荷，而且，金属容器对放于其内部的电荷明显地没有 作用力。他立刻想到一现象与万有引力的情况非常相似。因此他猜想电力与万有引力有相同的 规律，两个电荷间的作用力应与他们之间的距离的平方成反比。在1767年酱利斯特利写了一本 《电的历史和现状》。 1769年，爱丁堡的John Roblson首先用直接测量方法确定静电力的定律，他得到两个同 号电荷的排斥力与其距离的2．06次方成反比，他推断正确的静电力定律是平方反比律，他的研 究结果是多年之后(1801年)发表才为人所知。 1772年英国物理学家Cavendish遵循普利斯特利的思想以实验验证了电力平方反比定 律 他将一个金属球形容器固定在一绝缘支柱上，用玻璃棒将两个金属半球固定在铰链于同一 轴的两个术制框架合拢来，使这两个半球构成与球形容器同心的绝缘导体球壳。用一根短导线 连接球形容器和两个半球，利用一根系于短导线上的丝线来移动导线 Csvendlsh先用短导线 使球形容器与两半球相连，用莱顿瓶使两半球带电，莱顿瓶的电位可事先测定，随后通过丝线 将短导线抽去。再将两半球移开，并使之放电。然后用当时最准确的术髓球静电计检测球形容 器上的带电状态。静电计并未检测到球形容器上有任何带电的迹象。他用实验和计算的方法得 出电力与距离成反比的方次与2的差值不大于0．02。Cavendish的实验得出的定量结果与十三 年后(1785年)库仑(Charle Augustine de Coulomb，1736--1806)用扭秤直接测量所得的 结果的准确度相当。但他的研究成果都没有发表，是一百年后Maxwell整理Cavendlsh的大量 手稿时才将上述结果公诸于世的。 54 维普资讯 http://www.cqvip.com 最为著名的法国物理学家库仑的研究工作。库仑曾从事毛发和金属丝扭转弹性的 开究，这 导致他在1777年发明了后来被称为库仑秤的扭转天平或扭秤。1784年库仑发表论文，介绍他发 现的扭转力与线材直径、长度、扭转角度以及与线材物理特性有关的常数之间的关系．还介绍 了用扭秤澳I量各种弱力的方法。同年，库仑响应法国科学院有赏征集研究船用罗盘，他的科学 生涯开始从工程、建筑转向电和磁的研究，1785年库仑制作了一台精确的扭秤，用扭秤实 验证明了同号电荷的斥力遵从平方反比律。用振荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比 定律。他的实验误差偏离平方为4X10～。库仑的研究工作得到了昔遍的承认．而平方反比定律 也就以库仑的名字来命名。 Dr．Luigi Galvani(1737--1798，Bologna大学教授)发现了一种不用摩擦就能产生的电。 他观察到摩擦起电会使青蛙腿抽搐，在青蛙身上试验时抽搐得更利害。在1786年的一个刮风的 一 天．当他把青蛙用铜钩挂置于窗外时，他偶然发现只要风吹得青蛙触及铁柱时，青蛙也抽搐． 他认为这种现象与把青蛙连到静电起电机上的情形相似，但这时没有静电源存在 Galvani把青蛙腿放在铁锅中，然后用铜线触及青蛙腿的神经．发现青蛙腿抽搐，而用铁丝 触及青蛙的神经时不会发生抽搐。当他试验了多种金属材料之后．他发现两种不同的金属接触 青蛙时会发生抽搐。Galvanic把它称为“生物电”．现在人们都知道当两种不同的金属接触后会 产生电位差。这种现象叫Galvanic现象或接触电势。 伏特在1799年仔细研究了Galvanic现象之后，认为青蛙腿的抽搐不过是对于电流的灵敏 反应．而肌肉提供了一定的溶液。因此电流产生的先决条件是两种不同金属插在一定的溶液中 并构成回路。他在1800年用锌板和铜板插入一瓶稀酸中做成了第一个电池，这种电池叫伏特电 池。他把电池串联起来做成一个电流更强的电池组(Voltaic pile)。电压的单位伏特就是以他 的名字命名的。 · 在电池发明之后，人们可以获得连续的电流，这导致许多的新发现。在这以前在科学界仍 然普遍认为电与磁相互毫无关系。1820年7月Oersted向科学界宣布了他发现电流的磁效应， 打开了电应用的新领域。1820年9月Alnpere发现了圆电流对磁针的作用。1820年lOy]Biot和 Savart发现了长直电流导线对磁极的作用正比于1／r。1821年 Ampere提出分子电流假说。 1822年Thomas JohannSeebeck发现只要牢固地连接铜线和一根别的金属(铋)线的两端，并 维持两个接头于不同的温度，也可获得微弱的电流．这就是温差电效应。1831年Faraday发现 电磁感应现象。1833年Faraday证明摩擦起电和Volta电池产生的电相同。1874年剑桥的物理 教授Maxwell(1831--1879．苏格兰人)建立了电磁场方程组。Maxwell推论电磁的相互作用以 波的形式传播并预言光是电磁渡。1888年Heinrich Hertz证实了Maxwell的推论和预言，从 而开辟了电磁学应用的领域一无线电技术。 到十九世纪末．电磁学已发展成为经典物理学中相当完善的一个分支，电磁学渗透到物理 学的各个领域，电工技术、电子技术等得到迅速发展和应用。从此．改变了人类社会的生产和生 活方式。 3．现代静电技术的建立 在二十世纪初．静电学也从实验和科学阶段走向实 际应用的阶段。但是应用面较窄，仅在静电除尘方面有些应用。1824年Hohlfeld第一次演示了 静电收尘实验。1907年Frederik G．Cottrell制造了世界上第一台实际应用的静电除尘器用 于捕集硫酸酸雾。静电除尘器在控制酸雾排放的成功．迅速导致其在其它工业烟尘污染源中的 应用。1922年Van de Graft发明了实用的静电起电机。1923年Detroit Edison公司安装了 第一台静电除尘器。从此．静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等取得了一定的地位。为现 55 维普资讯 http://www.cqvip.com 代静电技术的建立奠定了基础。在二十世纪中期，随着工业生产的高速发展以及高分子材料的 迅速推广应用静电问题越来越严重。一方面．一些电阻率很高的高分子材料如塑料，橡胶等制 品的广泛应用以及现代生产过程的高速化，使得静电能积累到很高的程度．另一方面，静电敏 感材料的生产和使用．如轻质油品．火药，固态电子器件等．使工业部门受静电的危害也越来越 突出．因静电危害造成了相当严重的后果和损失。在电子工业行业中．美国因静电造成电子器 件的损失每年达一百三十亿多美元，这还不包括潜在的损失．在航天工业中．静电造成飞行火 箭和卫星失败或者自毁和干扰各类航天飞行器与地面的联系造成失控。在石油化工企业中t美 国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起，1969年底在不到一个月的时间由 于静电引起的荷兰、挪威 英国三艘20万吨超级油轮洗舱时相继发生爆炸以后引起了世界科学 家对静电防护的关注．我国近年来在石化企业曾发生30多起较大的静电事故．其中损失达百万 元以上的有数起．例如上海某石化公司的2000米’甲苯罐．山东齐鲁某公司的胶渣罐．抚顺某石 化公司的航煤罐等都固静电造成了严重火灾爆炸事故。二次世界大战后许多工业发达国家都 建立了静电研究机构。美国IEEE--IA$从1971年以来每年召开一次包括静电学术方面的会 议，日本的静电研究起步较早．近年来在静电应用和防护方面已经走到世界的前列 我国少数院校和科研单位从六十年代开始开展了一些静电研究工作．但在文化革命期间 中断了，到七十年代末才有较为系统和深入的研究-特别是八十年代开始以来，我国的静电技 术研究发展极为迅速。1981年全国成立了多个静电专业委员会并召开了多次会议，全国性的和 各地方的静电学术会议不断召开．静电技术的研究和应用范围也越来越广．科研队伍不断壮 大，静电技术日益受到各级领导和全国科技工作者的重视[61。 参考文献 1 Owen J．McAteer Electrostatic Discharge Control·《McGraw—Hill》New York．1990 · 2 Jean Cross Electrostatics：Principles． Problems and Applications lOP，1987 3 Bernard Seemans．The Story of Electricty and Magnetism Harvey House．1967 4 George de Lucenay IRon Tke Electricity Story-Arco·New York，1983 5 陈熙谋、陈秉乾《电磁学定律和电磁场理论的建立与发展》高等教育出版社．1992． 6 刘尚台．十年来防静电灾害的研究成果《静电)vo1．4-1995。 56 维普资讯 http://www.cqvip.com