静电及静电现象实例

一、静电及静电现象实例

静电对人们来说不是一个陌生的现象。早在2500多年前，古希腊学者泰勒斯发现琥珀经过摩擦后可以吸取麦杆的碎屑，这就是摩擦起电现象。摩擦产生的电荷是静电的一种。从那时起，人们对静电已经司空见惯了。为了对静电及静电引起的一些现象有比较直观的认识，我们首先给出几个实例。

1.摩擦起电实例

当你用一块绸布使劲地将一根玻璃棒擦几下，这时如将玻璃棒凑近原先不带电的纸屑时，你就会发现纸屑竟被玻璃棒吸了起来，好像铁屑被磁铁吸起来一样，这种现象称为摩擦起电现象。

琥珀或玻璃棒经摩擦后为什么能吸起轻小物体?几千年来，人们虽然见惯了这种奇怪现象，但只有当电子发现和近代电子理论建立后，摩擦起电现象才得到科学的解释。

实际上，当人们用绸布摩擦玻璃棒时，玻璃棒因摩擦而发热，发热的结果加速了原子中电子的运动，使得一部分电子从组成玻璃棒的原子中逃逸出来，从而使玻璃棒呈现带正电状态。

失去电子的玻璃棒就失去了电平衡，它总是力图从别的可能地方抓回它那失去的电子，以保持其原先的电平衡状态(不带电状态)，于是玻璃棒周围的纸屑便成为玻璃棒猎取电子的对象。

当玻璃棒凑近纸屑时，一方面带正电的玻璃棒企图尽力吸引纸屑原子中的带负电的电子。另一方面，纸屑原子的原子核又紧紧地拉住自己的电子不放。这样相互作用(拉扯)的结果，使整片纸屑便被玻璃棒吸了起来。

因此尽管玻璃棒和纸屑两者之中只有前者是带电的，与带异性电的两个带电物体相互吸引不完全相同，但是实质上它们仍是正负电荷的相互吸引。

当然在观察上述摩擦起电物体吸引轻小东西的现象时，我们只看到了纸屑被玻璃棒吸了过去。事实上纸屑原子中的电子也在使劲地吸引着带正电的玻璃棒，但是因为纸屑很轻，不可能把玻璃棒吸引到它这边来。这犹如我们只看到高空物体受地心引力的作用而下坠到地面上一样。实际上，根据万有引力定律，该物体也以同样大小力(方向与地心引力相反)吸引着地球，但由于地球太庞大了，我们决不可能看到地球被物体吸了过去。

为什么有许多物体不出现摩擦起电现象?大约在公元1600年前后，英国有一位叫吉伯的医生，他对许多种物体进行了摩擦起电试验。他发现像琥珀、宝石、玻璃、硫磺、胶木……等一类物体经摩擦后都能起电——产生吸引轻小物体的现象，但吉伯发现许多金属物体虽经使劲地摩擦，仍不能像琥珀那样起电，因此吉伯把凡是经过摩擦而能起电的物体统称为“电体”;反之，像金属一类物体，由于不能起电，吉伯将它们称作“非电体”。吉伯提出的上述错误见解流传了100多年。到了公元1729年，有一个名叫史蒂芬·格雷的人以大量实验证实:被吉伯称为“非电体”的金属大都是导电性能十分良好的物体(导体)，而吉伯认为的“电体”却是导电性能十分糟糕的物体(绝缘体)。为什么摩擦金属不能呈现带电现象呢?事实上金属经摩擦后同样能产生电，但是因为金属具有很好的导电性，通过摩擦获得的电子一下子被金属本身传导走了。只有绝缘体，由于它不能传导，所以一当有电子附在其上面就被保留下来了。在吉伯所处的时代，人们把电看成是静止不动的，他们不知摩擦产生的电已静悄悄地被金属本身带走。

所谓摩擦，总是相互的，既有摩擦的一方，也有被摩擦的一方。当两物体相互摩擦时，其中容易失去电子的一方所丧失的电子统统跑到另一方物体上去，因此前者成为带正电的，而后者却成为带负电的了。这就是为什么有些物体经摩擦后呈现带正电状态，而有的却表现为带负电状态。譬如当用绸布摩擦玻璃棒，或者我们用毛皮摩擦火漆棒时，玻璃棒和毛皮丧失的电子分别跑到绸布和火漆棒上去，因此前两者是带正电的，而后者却成为带负电的。这也证明了富兰克林所倡导的电荷分配学说——物体所以会带正电或负电，这是由于带电物体相互之间进行电荷分配引起的，当然，富兰克林所说的电荷现在应理解为电子。因此现在我们可以更确切地说，物体所以会带正电或负电，这是由于带电物体相互之间进行电子分配而引起的。

2.静电对MOS器件的放电破坏实例

根据上述摩擦起电的实例，可以有很多产生摩擦起电的情况，如人体和衣服之间的摩擦可以使人体带静电。又如，经验表明，人在合成纤维的地毯上行走时通过鞋子与地毯的摩擦，只要行走几步人体上积累的静电荷就可以达到10^－6 C以上，在这样一个“系统”里(人/地毯/大地)的平均电容约为几十至上百皮法，由公式Q= CU可知，在人体与大地之间可能产生的电压为15kV。一旦“人体/地毯/大地”系统导通，在15kV电压作用下，人体积累的静电荷会产生很大的瞬时电流，瞬时电流会影响信号电流、产生发热及电磁干扰。这种现象称为静电放电(ESD，Electro Static Discharge)现象。静电放电现象还会使MOS器件烧毁。在装接它们时必须特别小心。为了搞清烧毁的原因，可用图2－62来说明。

图2－62　静电荷靠近M OS场效应管栅极时的情形

当带正电荷(+Q)的物体靠近MOS型管栅极引线端时，正电荷就把电子吸引到栅极引线的端头，在栅极的极板上留下了正电荷，通过静电感应，在衬底硅片上产生了负电荷。于是在栅极与衬底之间的氧化膜上产生了电位差。由于栅极、氧化膜绝缘层和衬底实际上是一只电容器，所以作用在这只电容器绝缘层上的电压为

U= Q/C

又因为MOS型管子的输入电容很小，通常不到几个微微法，则氧化膜上的电压为

U＞(10¹⁰－10¹²)Q

可见，少量的电荷就会在氧化膜上产生一个相当大的电压。另一方面，为了降低MOS管的开启电压和具有足够的跨导，氧化膜又必须做得非常薄，通常其厚度只有1 000～2 000(10^－5～2×10^－5 cm)。结果是栅极与衬底之间的电压只要50V左右，就会引起绝缘层击穿，一旦绝缘层击穿，管子就损坏。

图2－62中的外电荷可以是人的手指上的静电荷或所用的某种工具上的静电荷。所以，甚至是根本没有碰到它，MOS场效应管由于静电感应已经坏了。为了避免这类意外的发生，大多数MOS管存放时必须将其引线绞合在一起，使栅极与源极或衬底处于短路状态。

为了避免栅极击穿，测试时，仪器应有良好的接地，防止仪器漏电，装接和焊接时，应先焊源极。引线要剪短，烙铁外壳要接地良好，以便将感应或摩擦产生的静电荷快速泄放到地。

进入20世纪70年代后，集成电路(IC)被广泛应用，静电放电(ESD)的击穿现象日益明显，不仅在产生过程中，就是在产品存放过程中也会发生失效，可见静电放电的危害十分严重，应采取有效的防护措施。

3.衣服上的静电放电实例

冬季，尤其在北方，由于天气干燥，人们身着化纤、羊毛服装越来越多，脱衣服时，便可听见“噼噼啪啪”的放电声音，这也是静电放电(ESD)现象。这种静电放电有时能对人体皮肤有刺痛感，在黑暗的地方还可能看到放电的闪光，这时静电电压一般大于3kV。其原因是衣服与衣服之间的摩擦以及衣服与人体之间的摩擦产生静电荷，然后通过“人体/衣服/大地”系统放电。

通过上述实例可以看到，静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电可以通过摩擦、接触与分离、静电感应等方式产生。

静电现象是指电荷在产生与消失所表现的现象的总称。