為什么有靜電？

老莊. 2014-04-08

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static electricity

為什么頭發(fā)會豎起來？

下圖中的小孩用手摸著一個帶電體，她的頭發(fā)豎起來了。這是怎么回事？“這是靜電現(xiàn)象”，很多人能脫口回答。生活中我們能看到很多類似的靜電現(xiàn)象，比如在干燥的冬天有時就會看到手指和金屬物品之間有電火花。那么，什么是靜電現(xiàn)象？它是怎么發(fā)生的？

靜電球（圖片來源：http://www./article/230815-Can-Tsunamis-Create-Static-Electricity）

我們的世界由原子組成，原子里原子核攜帶正電荷，電子攜帶負(fù)電荷。一個物體雖然擁有大量的電子，但正常情況下整體呈電中性。如果原子失去或獲得一些電子，就成為攜帶正電荷或負(fù)電荷的離子，物體就可以攜帶上凈正電荷或者凈負(fù)電荷，我們稱它們?yōu)閹д娀蛘邘ж?fù)電。從中小學(xué)課本上我們知道，一些物體之間的摩擦就可以改變電荷的分布，比如用玻璃摩擦樹脂，玻璃會帶上正電，樹脂也會帶上等量的負(fù)電。

物體所攜帶的凈電荷突然釋放，這個過程稱為靜電放電，通俗的說法叫做靜電。人體由于可能攜帶凈電荷，所以有時候就會有靜電放電發(fā)生。

電荷分正、負(fù)，同號電荷會互相排斥。當(dāng)人體積累起凈電荷時，同號的電荷會盡量互相遠(yuǎn)離，均勻分布在人體的表面。如果電荷間的斥力能讓電荷間平均距離增大，帶電體將更穩(wěn)定。平時，頭發(fā)因為重力作用貼住頭皮，但如果人體表面電荷重新分布的能量改變大于頭發(fā)豎起的重力勢能，頭發(fā)便會向上豎起。那么，上圖中的小孩怎么沒有因為靜電作用而雙手都向上舉起呢？因為胳膊抬起來的勢能遠(yuǎn)大于頭發(fā)豎起來的勢能，電荷斥力太小不足以讓雙臂張開。

這里我們提到電荷分布在表面，而不分布在體內(nèi)，這是因為人體內(nèi)有大量的液體和電解質(zhì)，人體被作為一個導(dǎo)體近似處理。電場是傳遞電荷相互作用的物理場，它對電荷作用力的大小表示為電場強(qiáng)度。導(dǎo)體內(nèi)部的電荷會向表面移動，直到電荷分布產(chǎn)生的電場與外界電場互相抵消，這時候?qū)w內(nèi)部的電場強(qiáng)度為0。高斯定理規(guī)定，電場強(qiáng)度在封閉曲面上的面積分與曲面內(nèi)電荷量有關(guān)；因為導(dǎo)體內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零，所以電荷處處為零。換句話說，導(dǎo)體內(nèi)部電荷為零，電荷只出現(xiàn) 在導(dǎo)體表面，只有面電荷分布。

       如何衡量靜電大?。?/h5>
       如果把人體作為一個孤立導(dǎo)體，它存儲電荷的能力稱為電容，導(dǎo)體會因為存儲電荷而存在電壓。電壓是兩點間的電勢差，如果是人體，這里指人體和大地的電勢差。孤立導(dǎo)體的電容很小，商業(yè)化的電容器件單位最多只以國際單位法拉的千分之一或者百萬分之一表示，即使是地球，簡單地當(dāng)一個導(dǎo)體球近似也不過是7E- 4法拉，如果在地球這個孤立導(dǎo)體上存儲1伏的電壓（這時候參考無窮遠(yuǎn)處為電壓零點），地球的靜電能也不過是3.5E-4焦耳。

       化學(xué)方法存儲的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于孤立導(dǎo)體能存儲的靜電能。1克蛋白質(zhì)就可以提供4000卡路里，而1卡路里等于4.18焦耳。因為卡路里作為人體能量攝入單位過小，通常用大卡表示食物能量；1大卡等于1000卡路里，但是大卡和“小卡”都可能被人們簡稱為“卡”，需要根據(jù)上下文分辨。

       靜電大小適合用電壓來衡量。由于孤立導(dǎo)體的電容非常小，能存儲的能量非常小，所以日常活動，如走動摩擦地毯、活動身體摩擦毛衣，所引起的電荷積累可以讓人體積累非常高的電壓，比如到2萬伏，引起靜電現(xiàn)象。雖然2萬伏比市電的220V高約百倍，但是這2萬伏的高壓對應(yīng)的能量很小，一般不會傷害人。

為什么會有電火花？

放電現(xiàn)象我們并不陌生，雷雨天的閃電跟生活中的靜電放電沒有本質(zhì)區(qū)別。天空里閃電發(fā)生前，電荷被積累于云中；生活里靜電發(fā)生前，電荷被積累于人體中。放電產(chǎn)生的電火花，其實就是空氣中電荷通過的途徑。被擊穿區(qū)域的空氣會變熱，人體放電產(chǎn)生的熱量可以用人體積攢的電能估算，與人體這個電容有關(guān)，也與靜電電壓大小有關(guān)。正常情況下，空氣是非常好的絕緣體，可是當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到大約4–30千伏/厘米大小時，空氣就會被擊穿。這里的擊穿指電場強(qiáng)度太大，絕緣體短暫變?yōu)閷?dǎo)體。4–30千伏/厘米的電場強(qiáng)度相當(dāng)于我們把市電的火線、零線靠到距離0.5毫米以內(nèi)，生活中插座的正負(fù)極之間不會那么近，所以不會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

（圖片來源：http://www./science/static_sparks.htm#.UyFqyYWvB9s）