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靜電安全中的尖端效應(yīng)

文檔作者：李雅軒文檔來源：天津職業(yè)大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月26日
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靜 斃室 失 雙
《靜電》季刊n 卷1期
一 靜電安全中的尖端效應(yīng)
李雅軒
天津職業(yè)大學(xué)
0料f．{
尖端效應(yīng)是帶靜電導(dǎo)體所具有的一個(gè)重要特點(diǎn)。在靜電安全領(lǐng)域。尖端效應(yīng)可能引發(fā)各種
靜電事故{另一方面．人們又可以利用尖端效應(yīng)來消除靜電災(zāi)害。率文僅就靜電安全領(lǐng)域中的
尖端效應(yīng)作一分析，并從危害與應(yīng)用兩個(gè)角度對(duì)尖端效應(yīng)加 討論。
1．尖端效應(yīng)的原理及特點(diǎn) 所謂尖端效應(yīng)，是指在同一帶電導(dǎo)體上，與平滑
部位相比，其尖端部位面電荷密度較大，尖端附近的電場強(qiáng)度較強(qiáng)，且容易由尖端向周國空氣
或鄰近的接地體放電的現(xiàn)象。
在帶電導(dǎo)體尖端的強(qiáng)電場作甩下．其附近空氣中殘存的離子發(fā)生激烈運(yùn)動(dòng)，并與空氣分子
猛烈碰撞，使空氣分子電離，產(chǎn)生大量正、負(fù)離子。這些離子在電場作用下，又與其它空氣分子
碰撞井使其電離，如此循環(huán)。這樣．就形成了尖端放電。尖端效應(yīng)的產(chǎn)生有以下特點(diǎn)：
1．1．在導(dǎo)體的帶電量殛其周圍環(huán)境相同情況下，導(dǎo)體尖端越尖，尖端效應(yīng)越明顯。 這
是因?yàn)榧舛嗽郊猓试叫?，面電荷密度越高，其附近場?qiáng)越強(qiáng)的緣故。當(dāng)然，所謂。尖盔巷}”是一
個(gè)相對(duì)的概念。在同一導(dǎo)體上．與曲率小的部位相比．曲率大的部位就是尖端。因此，設(shè)備的邊、
棱、角相對(duì)于平滑表面，管道的噴嘴相對(duì)于管線．細(xì)導(dǎo)線相對(duì)于粗導(dǎo)線，人的手指相對(duì)于嘲部背
部等等，前者都可認(rèn)為是尖端，都容易產(chǎn)生尖端效應(yīng)。
應(yīng)當(dāng)說明，即使帶電體沒有尖端．而與之相鄰近的接地導(dǎo)體具有尖端．它們之間也會(huì)產(chǎn)生
尖靖效應(yīng)。此時(shí)，由于靜電感應(yīng)，在接地體的尖端處會(huì)感應(yīng)出異性電荷，并容易與帶電體之間發(fā)
生放電。
1．2．尖端放電的形式主要有電暈放電和火花放電兩種。 在導(dǎo)體帶電量較小雨尖端又
較尖時(shí)，尖端放電多為電暈型放電。這種放電只在尖端附近局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，使這部分區(qū)域的
空氣電離，并伴有徽弱的螢光和嘶嘶聲。因放電能量較小，這種放電一般不會(huì)成為易燃易爆物
賈的引火源，但可引起其它危害。
在導(dǎo)體帶電量較大電位較高時(shí)，尖端放電多為火花型放電。這種放電伴有強(qiáng)烈的發(fā)光和破
壞聲響，其電離區(qū)域由尖端擴(kuò)展至接地體(或放電體)，在兩者之問形成放電通道。由于這種放
電的能量較大，所以其引燃引爆及引起人體電擊的危險(xiǎn)性較大。
1．3．火花型尖端放電隨兩極間距的減小而易于發(fā)生。 這可由擊穿電睚隨極問距離的
減小而下降來說明。例如，針形電極對(duì)于平板電極放電的擊穿電壓U 與極問距離d之間的關(guān)
系一般按下式掌握： 、
U一4．9d kv 針為正極U=i00+8．6d kv 針為負(fù)極
由上式還可看出，尖端電撅的帶電極性對(duì)擊穿電壓也有影響。在針形電極對(duì)平板放電時(shí)，若針
為正電位，板為負(fù)電位，則擊穿電壓較低，即較容易發(fā)生放電；若針為負(fù)電位，板為正電位．則擊
穿電壓較高，即較不易發(fā)生放電。這種現(xiàn)象是氣體擊穿的極性效應(yīng)，在非均勻電場中氣體放電
時(shí)這種效應(yīng)普遍存在。 。
39 ，
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L 4·尖端放電的發(fā)生還與周圍環(huán)境情況有關(guān) 一般地說，環(huán)境溫度越高越容易放電，
因?yàn)榇藭r(shí)電子和離子的動(dòng)能較大，容易發(fā)生電離 另外，環(huán)境濕度越低越容易放電．圍為濕度高
時(shí)空氣中水分子增多，電子與水分子碰撞機(jī)會(huì)增多，碰后形成活動(dòng)能力很差的負(fù)離子，使碰撞
能量減弱。再者·氣壓越低越容易放電，因?yàn)榇藭r(shí)氣體分子間距加太，電子或離子的平均自由程
變大，加速時(shí)間增長，動(dòng)能變大，容易發(fā)生碰撞電離。
2．尖端效應(yīng)引起的危害及預(yù)防
2．i．尖端效應(yīng)引起的危害 尖端效應(yīng)的危害主要是由尖端放電引起火災(zāi)爆炸、妨礙生
產(chǎn)及引起人體電擊等事故。
2．1·l·引起火災(zāi)爆炸 如上所述，由于火花型尖端放電的放電能量較大，因此很容易
引起易燃易爆混合物的燃燒和爆炸，造成重大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。這方面的事故案倒很多．
持別是在石油、化工、橡膠等行業(yè)，已經(jīng)成為嚴(yán)重的危害之一
1987年10月29日。浙江省椒江市石油公司油庫發(fā)生了一起油罐火災(zāi)爆炸事故。油庫的3
號(hào)罐建成后·進(jìn)行過兩次改造。改造后，在靠近量油孔、離罐壁lOcm處遺留下一根鋼管懸掛在
罐內(nèi) 另外，在泡沫發(fā)生器上綁有兩根下運(yùn)約2m的舔絲繩；同時(shí)，在第二圈鋼扳內(nèi)壁下部．殘
留有長幾十至100多毫米不等的條狀金屬突出物 逸些鋼管、鋼絲繩和條狀金屬突出物都是與
罐物相連的導(dǎo)體尖端 經(jīng)分析，這些部位的靜電尖端放電產(chǎn)生火花引燃爆炸性混合物，是導(dǎo)致
這次事故的主要原因之一
1986年5月I-9日，吉林省遼源市裝幀材料廠漆布車問生產(chǎn)膠科的反應(yīng)釜筵然發(fā)生爆炸，
事后分折認(rèn)為也是一起尖端放電引燃的事故。當(dāng)天。操作工身穿化纖表服，持續(xù)而快速地同釜
中投放硝酸腔片，人體上積累了較多靜電。加之是在絕緣的橡膠地板上操作，靜電荷無法向大
地泄漏，所以人體靜電越積越多 當(dāng)一名工人向這個(gè)接地良好的反應(yīng)釜入孔投料、手指接近罐
口時(shí)，突然發(fā)生人體對(duì)釜體的尖端放電．放電止花引起乙醇、醋酸乙酯汽體燃爆
2．i．2．妨礙生產(chǎn)、損壞設(shè)備 I凡花型及電暈型尖端放電都會(huì)對(duì)生產(chǎn)過程渣成不同程囊
的妨礙．乃至損壞設(shè)備。在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，從面器件的預(yù)處理、瓶裝、焊接、清洗，到苣扳
測試、總裝、調(diào)試、包裝、貯存、發(fā)送等工序，都玎髓困靜電尖端放電而摜壞器件 特 是隨著麥
規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和應(yīng)用，由于集成廢的提高，器件盡寸的變小和氧化層的變薄，器件承受
靜電放電的能力下降。更容易造成擊穿報(bào)廢．
靜電尖端放電可干擾無線電通訊，引起計(jì)算機(jī)、繼電鋁、開關(guān)等設(shè)備中電子元件謖動(dòng)作“E
如- 飛機(jī)飛行過程中，由于晃動(dòng) 摩擦、噴氣、感應(yīng)等原西．臺(tái)帶上大量靜電 瑤飛帆的機(jī)翼、螺
旋漿及天線的尖端．都可能產(chǎn)生電暈型尖端放電 這些放電會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)且g無線電干擾，健 托
和地面的無線電通訊中斷，使無線電導(dǎo)航系統(tǒng)不能工作 另外，靜電故電噪蘆還有可能淹沒壘
部高、中 低顙無線電訊號(hào)。
在靜屯測量中也往往受到尖端效應(yīng)自0干擾，若帶屯導(dǎo)體表面或靜電測量儀器躬金屬喪面
不夠平整光滑．在棱角或凸凹不平之處，或者受到損傷、鍍層脫落、生銹及附有金屬離等，刪當(dāng)
物體電位升高到一定程度時(shí)．就會(huì)在這些不乎之處產(chǎn)生尖端放電．使電荷很快{詿!=掉，影響溉量
的正常進(jìn)行
2．1．3．引進(jìn)人體電擊 靜電尖端放電常可引起人體電擊。例如，與大地絕緣的 體 比
如穿著塑料底鞋)經(jīng)長時(shí)間劇烈運(yùn)動(dòng)摩擦，帶有較多靜電．若此時(shí)伸手將手指接近接地體， 岔
在手指與接地體之間放電。造成電擊。父如。用橡膠輪搬運(yùn)車裝運(yùn)帶了靜電的物俸，車把手上感
應(yīng)出靜電，當(dāng)搬運(yùn)人員接近車把手時(shí)會(huì)發(fā)生尖端放電造成電擊，人體在活動(dòng)過程中最容易發(fā)生
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尖端放電的部位就是手指、腳尖、彎曲的肘部及膝蓋等部位。據(jù)介紹，設(shè)人體電容為90~#F時(shí)，
則當(dāng)靜電電壓達(dá)3KV，人體便有明顯的電擊感覺。人體受電擊雖不會(huì)致命，但可引起墜落摔傷
等二次事故。 -
2．2．預(yù)防尖端效應(yīng)危害的措施 避免尖端效應(yīng)的危害，主要是避免尖端效應(yīng)，防止尖
端放電造成事故。為此應(yīng)當(dāng)做到：
2．2．1．整平去尖 除了象靜電中和器等消電電報(bào)之外，其它所有設(shè)備、部件都要盡量
做到平整光滑，無棱角和凸起，以消除尖端的存在。比如，油罐罐壁應(yīng)當(dāng)光滑平整，輸油管線、設(shè)
備應(yīng)去掉棱角和毛刺，各種不必要的金屬斷頭、突出的螺栓、鋼筋頭等均應(yīng)去掉修平。測量儀表
的金屬外殼應(yīng)平整光滑，避免損傷或附有不必要的金屬突出物。
2．2．2．防止帶電孤立導(dǎo)體的尖端突然鄰近接地體 孤立導(dǎo)體即與大地絕緣的導(dǎo)體。因
其所帶電荷無法向大地泄漏，所以可能積聚到相當(dāng)大的數(shù)值，與地之間形成很高電位差。若此
時(shí)其尖端突然出現(xiàn)在鄰近接地體處，或在接地體上鄰近帶電體處有尖端，則兩者之間很容易發(fā)
生尖端放電。而且，由于帶電量較大，放電能量大，造成的危害也就很大。現(xiàn)將靜電安全中經(jīng)常
發(fā)生這種現(xiàn)象的過程列舉如下，望注意避免。
①與地絕緣的人體帶電后，在伸手抬腳等活動(dòng)中，手指、腳尖或肘部、膝部接近接地體發(fā)生
放電。 ’
② 人與大地相連(此時(shí)人為接地體)，從帶電孤立導(dǎo)體附近經(jīng)過時(shí)，在手指、腳尖、肘部、膝
部，或從帶電體的尖端部位發(fā)生放電。
③帶電人體雖未接近接地體，但在兩者之間存在另一中間導(dǎo)體(與兩者相鄰)，由于靜電感
應(yīng)作用，在人體與這個(gè)中間導(dǎo)體之間及這個(gè)中間導(dǎo)體與接地俸之間兩個(gè)區(qū)域都可能發(fā)生放電。
④在甩未接她的金屬漏斗往金屬油桶(為接地體)里注油時(shí)，由于油品流動(dòng)使漏斗帶電，若
此時(shí)漏斗接近油桶，則兩者之間會(huì)發(fā)生放電。
與上述注油情況相似，甩未接地的輸油鶴管給接地槽車輸油也有這種危險(xiǎn)。
⑤ 向油罐內(nèi)注油后立即用與地絕緣的采樣器采樣，則會(huì)在因操作而帶電的采樣器與罐口
棱邊之間發(fā)生放電。
當(dāng)然，為了防止靜電危害，還必須采取抑制靜電產(chǎn)生、增加靜電泄漏等多項(xiàng)綜合措施，使靜
電不能產(chǎn)生和積累。
3．尖端效應(yīng)在靜電安全中的應(yīng)用 在靜電安全頓域，人們已經(jīng)大量利用
尖端效應(yīng)來避免靜電災(zāi)害。實(shí)際上．這里所利用的尖端效應(yīng)是電暈型尖端放電。因?yàn)檫@種放電
局限在尖端附近小區(qū)域內(nèi)，放電能量又小，不致引起火災(zāi)爆炸。因此，可以利用一些導(dǎo)體尖端，
在沒有引燃危險(xiǎn)的情況下，通過電暈放電將物體所帶靜電逐漸釋放，使其靜電量控制在不能引
起危害的數(shù)量之內(nèi)。這樣做法實(shí)質(zhì)上是將火花放電的集中一次性太能量釋放在空間時(shí)間上加
以分散，轉(zhuǎn)變?yōu)槎喔烹娂舛穗姇灧烹姷姆稚⒍啻涡孕∧芰酷尫?，利用這種原理消除靜電的實(shí)
例最典型的就是靜電中和器、靜電放電器、消雷器和防靜電工作服。
靜電中和器是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用的消靜電設(shè)備 它分為感應(yīng)式、高壓電源式和離子流式
等幾種。它的基本工作原理就是電暈型尖端放電。中和器中有一組消電電板，又叫放電針，是
一系列固定排列的金屬針狀電極 工作時(shí)，由于尖端效應(yīng)，在放電針附近產(chǎn)生電暈型尖端放電。
在電場作用下，放電產(chǎn)生的正負(fù)離子分別向帶電物料和放電針移動(dòng)，從而將物料上的電荷中和
掉。靜電中和器多用在橡膠、塑料、造紙、紡織、石化等行業(yè)。
靜電放電器是安裝在飛機(jī)上用來釋放沉積在飛機(jī)上靜電荷的裝置。目前使用的有棉紗芯
。 41
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放電器、金屬絲放電器及祛偶放電器。它們的基本原理也是尖端效應(yīng)，即利用與飛機(jī)相連的一
組金屬絲(或金屬針，浸液棉紗芯)的電暈型尖端放電來消除飛機(jī)靜電。由于這些放電點(diǎn)的尖銳
程度很高．所以可以大大降低飛機(jī)的起暈電壓，增大飛機(jī)的放電電流．降低飛機(jī)電位，并減少放
電噪聲。為增強(qiáng)放電效果，總是將它們安裝在飛機(jī)表面電荷密度最大、周圍氣流流速較高的地
方。
消雷裝置是近年來出現(xiàn)的新型防雷裝置。其工作過程與上述靜電中和器相同 消雷裝置
由頂部的電離裝置、中間的連接線及地下的地電流收集裝置組成。以感應(yīng)式消雷裝置為例，其
電離裝置是一個(gè)太固盤，盤上裝有多個(gè)針狀金屬電極(放電尖端)。當(dāng)雷云出現(xiàn)時(shí)，由于靜電感
應(yīng)和尖端效應(yīng)，尖端附近空氣被電離，電離的離子將雷云中電荷中和。這櫸便可保持空間場強(qiáng)
不致超過空氣擊穿場強(qiáng)，并使其逐漸減弱，從而防止雷擊的發(fā)生。實(shí)際上，我國很多千年高塔之
所以歷盡滄桑而不倒，除了結(jié)構(gòu)牢固之外，還由于它們層層迭迭的飛塘產(chǎn)生尖端效應(yīng)，相當(dāng)于
上述消雷裝置，因而很少遭受雷擊。
防靜電工作服的消電機(jī)理之一也是尖靖效應(yīng)。不過，此時(shí)的放電“尖靖”不再是針狀電極，
而是導(dǎo)電材料。在工作服布料中摻入各種導(dǎo)電材料，由于其很細(xì)．即表面的曲率很大，因而成為
很好的放電電極。在人體電荷量較小時(shí)，這些導(dǎo)電材料便能形成電暈型尖端放電，從而將人體
帶電量控制在引起危害的最小電量之下。
(上接第38頁)
夜永昌大雷電風(fēng)雪，追明樹葉堆地如碎剪然，禽鳥死者無算。 《祁州志》載：“康熙六十年，南皮
縣七月大雷雨，東桄里村外楊樹兩株，大幾臺(tái)抱，烏云一過樹皆無有，唯見碎枝滿地，木絲皆揉
如亂麻 。這些都是在無風(fēng)的情況下完成的，電可拔可切，風(fēng)只能拔不能切，靜電威力之大較風(fēng)
尤烈，電力可 不借助風(fēng)，風(fēng)力有時(shí)可能借助電l靜電之威不僅表現(xiàn)在吸和切，還表現(xiàn)在對(duì)物體
的熔解和氣化，長距離搬運(yùn)等等。在我二十年的大氣靜電研究中經(jīng)常碰到的問題是，自然現(xiàn)象
是不能在實(shí)驗(yàn)室里完全復(fù)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)只能為人類認(rèn)識(shí)自然提供某些思路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也只能通過
和自然現(xiàn)象的類比獲得某種認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和客觀自然界差異是很大的，只有自然現(xiàn)象之間才
具有更大的類似性，才具有更大的可比性，類比自然現(xiàn)象所得的結(jié)論只能比類比實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有
更大的可靠性。
關(guān)于靜電，F(xiàn)、G、柯林指出“由電荷堆積所引起的靜電效應(yīng)是重要的。”大氣中電荷的生、
消、聚、散遠(yuǎn)是一個(gè)未被人類充分認(rèn)識(shí)的領(lǐng)域，大氣靜電的許多特點(diǎn)我們還知之甚少，電無時(shí)不
在無處不有，電是諸種自然現(xiàn)象的核心，許多自然科學(xué)的難題都有待于電學(xué)的進(jìn)展去解決。

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