??? 故從大氣流向地球表面的總電流強(qiáng)度I為：

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??? R為地球的半徑，取64×105米，由此可求出I的值約為1.4×103A。根據(jù)：

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???

??? 可求出地球表面的電位約為4×105V。

??? 這里說的帶電，嚴(yán)格來說是帶電體相對(duì)于無限遠(yuǎn)處的電位差，或物體的電位中性而言。人們?cè)谶M(jìn)行理論分析的時(shí)候，都是把無限遠(yuǎn)處定義為零電位，但在實(shí)際應(yīng)用中，人們已習(xí)慣于把地球當(dāng)成零電位，這對(duì)于一般的實(shí)際應(yīng)用，并不會(huì)造成很大的影響，但這種假設(shè)有時(shí)也會(huì)阻礙我們的視野。

??? 任何帶電物體都可以看成是一個(gè)電容，電容量C=Q/U，Q為帶電物體的電荷量，U為帶電物體的電位，即指帶電物體到無限遠(yuǎn)處的電位差。因此，地球也可以看成是一個(gè)大容量的電容，其電容量正好為1法拉。

??? 這里說的電容與電容器是有區(qū)別的，電容器一般都由兩塊中間以介質(zhì)絕緣的極板" title="極板">極板組成，當(dāng)電容器被充電的時(shí)候，兩塊極板帶的電荷量相等，但符號(hào)相反，在電容器兩極板所帶的電荷不改變的條件下，兩塊極板之間的電壓，可因電容器兩極板之間的距離改變而改變，其電容量的大小也會(huì)跟著兩極板之間的距離改變而改變，這是因?yàn)閮蓸O板之間電場(chǎng)互相作用的緣故。

??? 而這里所指的電容，其電容量是不會(huì)因帶電物體的位置改變而改變的。因此，這里說的電容是相對(duì)于一個(gè)孤立帶電物體而言，不受其它電場(chǎng)所影響，而電容器則是相對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上帶電物體而言，電容大小要受兩個(gè)或兩個(gè)以上極板產(chǎn)生的電場(chǎng)互相影響。另外，電容充放電是不需要回路的，兩個(gè)帶電體互相接觸，誰的電位高，誰就要放電，誰的電位低，誰就會(huì)被充電，而電容器充放電必須要有一個(gè)閉合回路。

??? 實(shí)際上，地球不但是個(gè)電容(相對(duì)于無限遠(yuǎn)處)，并且地球還相當(dāng)于電容器的一個(gè)電極，電容器的另一個(gè)電極是電離層，而大氣層就是電介質(zhì)，如圖1所示。

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??? 地球帶電的原因，一個(gè)是由于地球作為一個(gè)冷星球長(zhǎng)年都在接收大量帶電宇宙射線微粒子的輻射，另一個(gè)是外層空間紫外線對(duì)空氣照射產(chǎn)生電離層，并對(duì)地球表面產(chǎn)生感應(yīng)，以及熱氣流互相摩擦帶電而產(chǎn)生感應(yīng)等等。根據(jù)基爾克夫定理：流過任何導(dǎo)體電流的代數(shù)和都等于零，即：

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??? 根據(jù)上式結(jié)果，地球不但有電流流入，而且也應(yīng)該有電流流出，那么流出地球的電流到哪里去了呢？

??? 前面已經(jīng)指出，地球平均每一秒鐘有100多次閃電，而閃電也是一個(gè)放電過程，由此可知，原來每秒中流進(jìn)地球1.4×103安培的電流就是用來打雷放電的。如果地球不經(jīng)常打雷放電，試想，地球電位正好是每秒要增加1.4×103伏特，一小時(shí)后地球電位就可以增加到500多萬伏，一天之后地球電位又會(huì)增加到12000多萬伏，這是一個(gè)多么巨大的數(shù)字，在此電場(chǎng)強(qiáng)度之下，任何東西都可能會(huì)被擊穿。所以，地球時(shí)時(shí)刻刻都在放電才應(yīng)該是正常的。

??? 防止雷電的最有效方法就是靜電屏蔽，例如，高壓電網(wǎng)為了避免雷擊，除了電線塔的高度要求比高壓電網(wǎng)線的高度高之外，在高壓電網(wǎng)線的最上面還要設(shè)置一根屏蔽線，這根屏蔽線通過電線塔與大地連接。當(dāng)遇到打雷時(shí)，屏蔽線首先與雷電接觸，把產(chǎn)生雷電物體(云)的電荷通過屏蔽線，再經(jīng)電線塔傳入大地而被釋放掉。避雷針也是這個(gè)道理，在物體的高處安裝針狀導(dǎo)體，并把它連接到大地，把空中帶電物體(云)的電荷通過避雷針放電引入大地，以降低帶電物體(云)對(duì)其它物體或人體感應(yīng)產(chǎn)生放電的機(jī)會(huì)。還有，在高速公路兩旁安裝電線竿也是一種保護(hù)人類免遭雷擊的有效方法。

??? 除了屏蔽可以防止雷擊以外，很多貴重電器設(shè)備還需要對(duì)雷電感應(yīng)進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)?，?dāng)雷電擊中某個(gè)建筑物的機(jī)房，或某個(gè)供電設(shè)備的時(shí)候，瞬間幾十萬安培以上的電流通過這些建筑物或設(shè)備，也會(huì)對(duì)周圍幾十米范圍內(nèi)的電器設(shè)備產(chǎn)生電磁感應(yīng)" title="磁感應(yīng)">磁感應(yīng)，使周圍的電線或設(shè)備，不管是否與雷擊物體直接接觸或不接觸，都會(huì)通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生高壓脈沖，很容易把電器設(shè)備中的電子器件擊穿損壞。因此，對(duì)那些與長(zhǎng)電纜線連接的設(shè)備，如：電話機(jī)、傳真機(jī)、電視機(jī)等，對(duì)它們進(jìn)行過壓保護(hù)還是必要的。目前，避免電器設(shè)備遭受雷擊或雷電感應(yīng)產(chǎn)生高壓脈沖擊穿損壞的最有效的方法，還是用放電管和壓敏電阻。

??? 對(duì)于交流供電系統(tǒng)設(shè)備的防雷，一般都是用壓敏電阻跨接于電源線與地線之間，用于對(duì)雷電感應(yīng)高壓電脈沖進(jìn)行放電，避免設(shè)備被高壓電脈沖擊穿損壞；而小電器設(shè)備或器件防雷電擊穿損壞，可選用放電管或壓敏二極管，也可以選用壓敏電阻等跨接于輸入線與大地之間，例如，一般家中的電話插座以及有線電視插座內(nèi)部都應(yīng)該連接一個(gè)或兩個(gè)放電管到大地。放電管的工作原理是在玻璃管或陶瓷管中注入惰性氣體，惰性氣體平時(shí)不導(dǎo)電，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)到一定的時(shí)候，惰性氣體開始電離導(dǎo)電；壓敏二極管和壓敏電阻的工作原理與穩(wěn)壓管的工作原理很接近，平時(shí)也不導(dǎo)電，當(dāng)電壓超過一定值后，壓敏二極管或壓敏電阻就擊穿導(dǎo)通，不過這種擊穿是可以恢復(fù)的。

??? 圖2是電視機(jī)防雷擊電路，圖中防雷擊電路是在PCB電路板上直接制作放電間隙(6mm)裝置，在外接天線端口就近與電網(wǎng)輸入引線之間加接這種放電間隙裝置。由于電視機(jī)本身沒有金屬機(jī)殼或機(jī)殼接地電氣連接點(diǎn)，所以防雷放電間隙可直接利用電網(wǎng)輸入電源引線代替地線使用。

??? 另外，電視機(jī)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求冷熱地之間的耐壓強(qiáng)度大于AC2000V，而絕緣距離要求大于6mm，選用其它放電器件反而難以符合安全要求，并且會(huì)提高成本。因?yàn)樵谡鈮合?，?萬伏的正常放電距離正好是10mm，因此，2000伏的正常放電距離是2mm，而取3倍安全系數(shù)后正好就是6mm。圖2中，電視機(jī)防雷擊電路制作成鋸齒狀的原因，是讓高壓放電更容易發(fā)生，因?yàn)殡姌O的尖端處電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，當(dāng)尖端放電產(chǎn)生后，周圍空氣將變成導(dǎo)體，使放電更容易進(jìn)行，這樣，在很短時(shí)間內(nèi)就可以把電放完。

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2．物體帶電與電場(chǎng)感應(yīng)

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??? 從原理上說，絕對(duì)不帶電的物體是不存在的，任何物體都會(huì)不知不覺地就會(huì)帶上電。每種物質(zhì)都有一個(gè)代表自己性質(zhì)的位能，兩種不同性質(zhì)的物體靠近在一起就會(huì)產(chǎn)生“接點(diǎn)電位差”。當(dāng)兩種不同性質(zhì)的物體接觸在一起時(shí)，這兩種物質(zhì)在其體內(nèi)就要對(duì)電荷進(jìn)行重新分布，使物體保持電中性，例如：P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體互相接觸，在兩物體的交界處就會(huì)產(chǎn)生PN結(jié)，在PN結(jié)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生，必然要進(jìn)一步使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體——兩個(gè)物體的內(nèi)部都要對(duì)電荷進(jìn)行重新分布。這時(shí)，如果再把兩個(gè)物體分開，兩個(gè)物體都將會(huì)帶電，一個(gè)帶正電，另一個(gè)帶負(fù)電。

??? 物體帶電，相當(dāng)于自身的位能增加或降低了，若帶電物體再次與其它不同性質(zhì)的帶電物體接觸后又分開，兩帶電物體又會(huì)帶上更多的電荷，即：位能在不斷增加或降低，靜電感應(yīng)發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理制造的。

??? 在兩個(gè)用有機(jī)玻璃材料做成的輪子上，按等分距離把兩種不同性質(zhì)的條狀金屬片，分別鑲在兩個(gè)有機(jī)玻璃輪子某一則的表面之中，相當(dāng)于金屬片一面絕緣，一面暴露。然后，把兩個(gè)鑲有條狀金屬片的有機(jī)玻璃輪子的絕緣面互相靠在一起，并按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)輪子上不同性質(zhì)金屬片將互相感應(yīng)帶電，同時(shí)也使兩個(gè)有機(jī)玻璃輪子局部極化帶電，兩個(gè)有機(jī)玻璃輪子上的金屬片每對(duì)上一次，通過靜電感應(yīng)，一個(gè)金屬片的電位會(huì)繼續(xù)升高，而另一個(gè)卻要降低。這樣，兩邊金屬片上積累的電荷將越來越多，最后，可以分別用兩個(gè)金屬毛刷把金屬片上積累的電荷收集到萊頓瓶中(用玻璃瓶做成的電容器)，當(dāng)萊頓瓶中積累的電荷達(dá)到一定的數(shù)量后，即：電壓超過某個(gè)值后，萊頓瓶的兩個(gè)電極開始放電，并產(chǎn)生火光及響聲。

??? 圖3是一個(gè)讓物體產(chǎn)生高壓電的原理圖，在水龍頭的下面安放一個(gè)用金屬薄片制作的圓圈(用金屬罐頭盒改制)，金屬圓圈必須要與周圍絕緣，然后讓水龍頭流出的水正好從金屬圓圈的中央穿過，金屬圓圈很快就會(huì)帶電，并且電壓非常高，一般可達(dá)一萬伏以上。用試電筆做試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試電筆離金屬圓圈還很遠(yuǎn)的地方，就可以看到試電筆被點(diǎn)亮，甚至拿一個(gè)小熒光燈靠近，也可以看得到熒光燈微亮。這說明電壓非常高，但對(duì)人體不存在被觸電的危險(xiǎn)，因?yàn)榻饘賵A圈的電容量很小，存儲(chǔ)的能量有限。

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??? 這個(gè)原理與摩擦發(fā)電的原理是很接近的，首先是水與周圍空氣生產(chǎn)摩擦使空氣帶電(空氣被電離成正、負(fù)離子，由于正離子比較重，很容易被水帶走)，然后帶電空氣會(huì)感應(yīng)金屬圓圈帶電，或負(fù)離子直接與金屬圓圈接觸，使金屬圓圈帶負(fù)電。我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)，在大瀑布附近的空氣中負(fù)離子的濃度非常高，或下暴雨的時(shí)候，空氣中負(fù)離子的濃度也很高，主要原因就是速度極高的流水或雨滴會(huì)讓空氣產(chǎn)生電離帶電。

??? 冬天人們走在地毯上也經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)手突然碰到樓梯金屬扶手的時(shí)候，會(huì)感到手被麻電，這也是因?yàn)槿梭w穿的皮鞋與地毯摩擦產(chǎn)生帶電，然后傳到人的身體上。其實(shí)人體帶電一般自己是沒有感覺的，哪怕人體帶上幾萬伏的電壓，一般人體也沒有感覺，只有帶電人體與其它物體接觸產(chǎn)生放電時(shí)才會(huì)感覺麻電。例如：在冬天沒有燈光的夜里，人們脫尼龍衫或毛線衣的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)衣服之間有藍(lán)色火光，并且還伴隨著啪、啪、啪的放電聲，這證明衣服已經(jīng)帶上非常高的電壓。

帶電物體是具有能量的，即：電場(chǎng)具有能量。帶電體的能量為：

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??? 上式中，C為帶電體的電容，U為帶電體的電位。帶電體的能量屬于位能，當(dāng)要計(jì)算帶電體的能量的時(shí)候，必須指出參考點(diǎn)，如果不特別指出，一般都把地球作為參考點(diǎn)，或把無限遠(yuǎn)處作為參考點(diǎn)，即：把地球作為零電位，或把無限遠(yuǎn)處作為零電位。把地球作為零電位比較方便，因?yàn)椋覀兯褂玫囊磺形矬w都是來自地球，無論你怎樣對(duì)它加工或運(yùn)作，新產(chǎn)生的電荷總是在原有電荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加，所以不需要再用過問物體原來帶的電荷是多少。帶電物體的電容由下式求得：

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??? 上式中，電容C的單位為法拉，ε為介電常數(shù)(在真空中為1)，S為帶電物體與參照物體之間電力線互相照射的面積(與電場(chǎng)垂直，單位平方米)，在國(guó)際單位制中k=9×109牛頓·平方米/庫(kù)侖，d為帶電物體到參照物的有效距離(單位米)。

??? 實(shí)際上電場(chǎng)干擾，或電場(chǎng)感應(yīng)" title="電場(chǎng)感應(yīng)">電場(chǎng)感應(yīng)，都是通過電容的工作原理進(jìn)行的，電場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備中其它電路的干擾，不但與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，還與被干擾電路參考點(diǎn)的位置有關(guān)，以及帶電物體的電容量有關(guān)。如果要精確計(jì)算某帶電體對(duì)其它物體產(chǎn)生的電感應(yīng)，就必須熟練地應(yīng)用上面兩個(gè)式子來計(jì)算各個(gè)物體之間的電容。同一個(gè)帶電體相對(duì)不同的其它物體，因?yàn)橄鄬?duì)位置以及電場(chǎng)強(qiáng)度不同，其電容量也不同。知道了電容容量就可以計(jì)算電容的充放電過程，從而可以求出電壓、電流、功率等各種參數(shù)。

??? 圖4是帶電物體對(duì)其它物體產(chǎn)生感應(yīng)的原理圖。圖4中，A是帶電物體，其電位為U0，E表示電場(chǎng)強(qiáng)度或電場(chǎng)力線，Q0為其帶電量；帶電物體A對(duì)物體B和物體C均會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)感應(yīng)，U1和U2分別為物體B和物體C被物體A感應(yīng)產(chǎn)生的對(duì)地電位；Q1和Q2分別為物體B和物體C被物體A感應(yīng)產(chǎn)生的電荷量。帶電物體A的電荷Q0越多，其電位U0就越高，并且其對(duì)物體B或物體C產(chǎn)生感應(yīng)影響的力度就越大。

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??? 因此，我們可以用電容來定義電荷與感應(yīng)電壓的關(guān)系，即用電容表示單位電壓感應(yīng)產(chǎn)生的電量為：C=Q/V其中，電容C的單位為法拉，電荷Q的單位為庫(kù)侖，電壓V的單位為伏特。設(shè)：物體B和物體C沒受帶電物體A感應(yīng)之前，所帶電荷以及對(duì)地電位均為零，則：電荷Q1和Q2，電壓U1和U2都是由于帶電物體A對(duì)物體B和物體C感應(yīng)產(chǎn)生的電荷和電壓；U0越高，感應(yīng)產(chǎn)生的U1和U2對(duì)地電位就越高，以及電荷Q1和Q2就越多，由此可求得：

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??? 上式中，V1=U0-U1 ，V2=U0-U2 ，C1和C2分別表示帶電物體A對(duì)物體B和物體C產(chǎn)生電場(chǎng)感應(yīng)互相影響的力度，電容容量越大，表示兩者產(chǎn)生電場(chǎng)感應(yīng)互相影響力度就越大。因此，這里我們還可以把上面三式中的電容C定義為電荷感應(yīng)系數(shù)，與磁感應(yīng)中的互感系數(shù)(或磁感應(yīng)系數(shù))M相互對(duì)應(yīng)。由此可知，電容C不但可以表示一個(gè)帶電物體存儲(chǔ)電荷的多少，而且可以表示帶電物體對(duì)其它物體產(chǎn)生影響的力度。

??? 在電子設(shè)備中，由于MOS電路的阻抗很大，而其電容非常小，因此，只要帶電體產(chǎn)生很小能量的電荷轉(zhuǎn)移，或靜電感應(yīng)，就能把MOS電路擊穿。因此，在生產(chǎn)或調(diào)試含MOS電路的電子設(shè)備的時(shí)候，要注意靜電感應(yīng)和工作人員的身體不能帶電。在沒有采取任何措施的情況下，人體一般都帶有幾十伏甚至數(shù)百伏的靜電電壓，當(dāng)人手觸及還沒有接入電路中的IC時(shí)，很容易會(huì)把IC擊穿。對(duì)還沒有使用的IC保存或者包裝也要注意靜電感應(yīng)，最好把IC保存在金屬盒或具有防止靜電感應(yīng)的塑料盒內(nèi)。防靜電感應(yīng)塑料一般都是在塑料中混入導(dǎo)電物質(zhì)。

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3．電磁感應(yīng)與干擾

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??? 任何導(dǎo)體，只要有電流通過，在它的周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)又會(huì)對(duì)周圍的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此導(dǎo)體中的電流同樣也會(huì)對(duì)其它物體產(chǎn)生磁感應(yīng)干擾。我們知道電感L可以表示為：?jiǎn)挝浑娏鳟a(chǎn)生的磁通，即：

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上式中，L為電感，單位為亨利，為磁通量，單位為韋伯，I為電流，單位為安培。但該式中要直接測(cè)量磁通量是非常困難的，在工程應(yīng)用中一般都通過測(cè)量自感電動(dòng)勢(shì)的方法來測(cè)量電感量：即：當(dāng)每秒鐘流過電感線圈的電流為1安培，而電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)為1伏時(shí)，則電感線圈的電感量為1亨利。因此，電感量也被稱為自感系數(shù)。由此，上式又可以表示為：

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??? 式中S是磁通穿過的面積，B為磁感應(yīng)密度，這里假設(shè)磁感應(yīng)密度為均勻分布，但實(shí)際上是不可能的，但這里并不影響我們后面對(duì)問題的分析。

??? 一般來說，恒定的電場(chǎng)或磁場(chǎng)對(duì)電路或電器設(shè)備造成的干擾是不會(huì)很大的?！案蓴_”這個(gè)詞的本意就是指，對(duì)某個(gè)正處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響，因此，對(duì)電路或電器設(shè)備造成嚴(yán)重干擾的，主要是不斷變化著的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。即：

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??? 式中，i是表示干擾電流，C為電容，或電荷感應(yīng)系數(shù)，dv/dt為電壓變化率；e是表示干擾電動(dòng)勢(shì)，M為磁互感系數(shù)，或磁感應(yīng)系數(shù)，di/dt為電流變化率。

??? 磁互感系數(shù)或磁感應(yīng)系數(shù)M，表示流過某個(gè)電感L或?qū)w中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)另一個(gè)電感或電路產(chǎn)生影響的力度。如果我們把電感L稱為電感器與電容器C進(jìn)行對(duì)應(yīng)的話，那么，磁互感系數(shù)或磁感應(yīng)系數(shù)M同樣也可以與電荷感應(yīng)系數(shù)C進(jìn)行對(duì)應(yīng)，可惜人們很少把電容器C與電荷感應(yīng)系數(shù)C分別進(jìn)行理解。

??? 圖5是交變磁場(chǎng)產(chǎn)生互相感應(yīng)(簡(jiǎn)稱互感)的工作原理圖。圖5中L0為產(chǎn)生磁力線的電感線圈，即：正在通電的線圈，它產(chǎn)生的磁力線一部分穿過磁感應(yīng)線圈L1，使磁感應(yīng)線圈L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1，e1=M1*di/dt；同時(shí)，L0產(chǎn)生的另一部分磁力線也在穿越印制板線路L2，使印制板線路L2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，e2=M2*di/dt。顯然，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2都不是我們進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)所希望產(chǎn)生的，因此，把它們稱為干擾電動(dòng)勢(shì)，或稱為干擾信號(hào)。電子設(shè)備中，大部分干擾信號(hào)都是這樣產(chǎn)生的。

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