物體帶電與電場感應(yīng)

    從原理上說，絕對不帶電的物體是不存在的，任何物體都會不知不覺地就會帶上電。每種物質(zhì)都有一個代表自己性質(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，這兩種物質(zhì)在其體內(nèi)就要對電荷進(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產(chǎn)生PN結(jié)，在PN結(jié)內(nèi)部會產(chǎn)生一個空間電荷區(qū)，這個空間電荷區(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——兩個物體的內(nèi)部都要對電荷進(jìn)行重新分布。這時，如果再把兩個物體分開，兩個物體都將會帶電，一個帶正電，另一個帶負(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)這個原理制造的。

    在兩個用有機(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，兩個輪子上不同性質(zhì)金屬片將互相感應(yīng)帶電，同時也使兩個有機(jī)玻璃輪子局部極化帶電，兩個有機(jī)玻璃輪子上的金屬片每對上一次，通過靜電感應(yīng)，一個金屬片的電位會繼續(xù)升高，而另一個卻要降低。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：電壓超過某個值后，萊頓瓶的兩個電極開始放電，并產(chǎn)生火光及響聲。

    圖3是一個讓物體產(chǎn)生高壓電的原理圖，在水龍頭的下面安放一個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，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，存儲的能量有限。

    這個原理與摩擦發(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讓空氣產(chǎn)生電離帶電。

    冬天人們走在地毯上也經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)手突然碰到樓梯金屬扶手的時候，會感到手被麻電，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)生放電時才會感覺麻電。例如：在冬天沒有燈光的夜里，人們脫尼龍衫或毛線衣的時候，會發(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：電場具有能量。帶電體的能量為：
（6）
    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：
（7）
    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（與電場垂直，單位米2），在國際單位制中k = 9×109牛頓•米2/庫侖2，d為帶電物體到參照物的有效距離（單位米）。

    實(shí)際上電場干擾，或電場感應(yīng)，都是通過電容的工作原理進(jìn)行的，電場對電子設(shè)備中其它電路的干擾，不但與電場強(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)算某帶電體對其它物體產(chǎn)生的電感應(yīng)，就必須熟練地應(yīng)用（6）式和（7）式來計(jì)算各個物體之間的電容。同一個帶電體相對不同的其它物體，因?yàn)橄鄬ξ恢靡约半妶鰪?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表示電場強(qiáng)度或電場力線，Q0為其帶電量；帶電物體A對物體B和物體C均會產(chǎn)生電場感應(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，并且其對物體B或物體C產(chǎn)生感應(yīng)影響的力度就越大。

    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：
（8）
    上式中，電容C的單位為法拉，電荷Q的單位為庫侖，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對地電位就越高，以及電荷Q1和Q2就越多，由此可求得：



    上式中，V1 = U0 – U1 ，V2 = U0 – U2 ，C1和C2分別表示帶電物體A對物體B和物體C產(chǎn)生電場感應(yīng)互相影響的力度，電容容量越大，表示兩者產(chǎn)生電場感應(yīng)互相影響力度就越大。因此，這里我們還可以把（8）、（9）、（10）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相互對應(yīng)。由此可知，電容C不但可以表示一個帶電物體存儲電荷的多少，而且可以表示帶電物體對其它物體產(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，很容易會把IC擊穿。對還沒有使用的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)。