開(kāi)個(gè)門被金屬把手電得嚇一跳……

夜里脫件毛衣一路火花帶閃電……

就連擼個(gè)貓也噼里啪啦帶音效……

又到了靜電這位老朋友前來(lái)拜訪的季節(jié)，說(shuō)起靜電，咱們一般首先會(huì)想到兩件事——一是摩擦起電，另一件呢就是靜電真煩人。

不過(guò)，靜電其實(shí)不止摩擦起電一種，而靜電在有些場(chǎng)合，帶來(lái)的危害可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只煩人了，但妥善利用的話，靜電又能為人類服務(wù)，接下來(lái)咱們就詳細(xì)講講。

摩擦起電，并不簡(jiǎn)單

生活中最常見(jiàn)的靜電是摩擦起電，也是平時(shí)把大家折磨得最慘的一個(gè)。小到握手的噼里啪啦，大到閃電的轟隆咔嚓，都是它的功勞。

在歷史上，這也是被人類最早注意到并記錄下來(lái)的電現(xiàn)象之一：在希臘語(yǔ)里，ἤλεκτρον（發(fā)音electron）就是琥珀的同義詞，而琥珀容易起電蒙塵，公元前 6 世紀(jì)就被古希臘哲學(xué)家泰勒斯記錄過(guò)。

雖然摩擦起電早已家喻戶曉，但科學(xué)家還沒(méi)有完全透徹地理解這種現(xiàn)象……因?yàn)樗谋憩F(xiàn)頗不穩(wěn)定，成因復(fù)雜多樣。比如說(shuō)，我們上學(xué)時(shí)獲得的大致印象是，誰(shuí)更能搶電子，誰(shuí)就帶負(fù)電。如果只考慮材料，按說(shuō)會(huì)有一個(gè)終極大 boss，在搶電子的游戲中拔得頭籌。

但現(xiàn)實(shí)中，對(duì)某些材料來(lái)說(shuō)，摩擦起電搶電子大比拼不是一場(chǎng)強(qiáng)者通吃的游戲。而更像是玩石頭剪刀布：絲綢輸給紙張，紙張輸給棉花，棉花輸給玻璃，玻璃輸給鋅，而鋅卻又輸給了一開(kāi)始的絲綢！

可見(jiàn)，材料性質(zhì)未必是唯一的因素，經(jīng)過(guò)研究，目前公認(rèn)一些影響因素有：材料本身性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)和走向、局部的粗糙度、摩擦的力度、環(huán)境濕度等等。

靜電可不只是擦出來(lái)的

摩擦能生靜電，但能生靜電并不只靠摩擦。另一種靜電就是壓電，以石英、電氣石（也稱碧璽）為代表。

壓電的原理是什么呢？打一個(gè)不精確的比方，就像一輛公交車，乘客不多時(shí)，面朝哪個(gè)方向站的都有，隨著車?yán)镌絹?lái)越擠，大家會(huì)不由自主地排出一個(gè)方向。從一邊看全是正臉，另一邊看則全是后背，這種現(xiàn)象叫極化，會(huì)在壓電材料的一端出現(xiàn)正電荷，而另一端出現(xiàn)負(fù)電荷。因?yàn)槭軣嵋矔?huì)使晶格產(chǎn)生應(yīng)力，所以有些壓電材料還有熱釋電效應(yīng)。

還有一類靜電在太空中比較容易出現(xiàn)。太陽(yáng)光中的高能紫外線和 X 射線照射物體時(shí)，會(huì)把電子驅(qū)趕出來(lái)，而在原先的位置留下一層正電荷。像在月球的表面，干燥細(xì)碎的月壤顆粒因?yàn)槎紨y帶著正電荷，會(huì)同性相斥，拔地而起，懸浮幾米高，形成一層月塵“大氣”（并不是氣體），而月塵一旦遇到外來(lái)物，又很容易吸附。

拆過(guò)泡沫塑料包裝的讀者一定深有體會(huì)。靜電懸浮的月塵對(duì)探月設(shè)備干擾很大，咱們的第一輛玉兔號(hào)剛上去一個(gè)多月（月球上的第二個(gè)白天）就出了動(dòng)力問(wèn)題，很可能就是因?yàn)樵聣m進(jìn)入內(nèi)部造成的故障。阿波羅號(hào)月球車揚(yáng)起的塵埃經(jīng)久不落也是同樣的原理，并不是地面攝影棚的效果。

玉兔號(hào)月面漫游車 來(lái)自Wikipedia 

靜電的危害到底有多大？

大多數(shù)靜電有害無(wú)益，令人討厭。盡管靜電的成因多種多樣，主旨還是一個(gè)“靜”字。如果產(chǎn)生了電荷卻不流動(dòng)，就可能積累成災(zāi)。

在北方冬天，屋里供著暖氣，環(huán)境干燥，如果不用加濕器的話（雖然用了也可能杯水車薪），走動(dòng)或者換衣時(shí)的靜電難以導(dǎo)走，就累積在體表，伺機(jī)發(fā)泄。像平時(shí)把我們弄得手指酥麻的那些小火花，電壓能達(dá)到上萬(wàn)伏。這個(gè)數(shù)字聽(tīng)起來(lái)很駭人，而它背后的物理公式是這樣的：

電荷量 = 電容 x 電壓

可以看出，電容和電壓成反比，一個(gè)越小，另一個(gè)就越大。我們握手時(shí)，兩手之間有一個(gè)極小的電容，所以只需少許電荷，就能產(chǎn)生一個(gè)高壓把空氣擊穿，形成那個(gè)令我們顫抖的小電弧。不過(guò)大家不用怕，真正有殺傷力的是電流而非電壓，生活靜電的電荷量極小，所以電流也很微弱，不會(huì)致死致殘的。

但是大家要當(dāng)心，如果把這個(gè)能擊穿空氣的小電弧放到危險(xiǎn)場(chǎng)合，就可能釀成大禍。例如油罐車，如果裝得不滿，油在罐里晃蕩就可能摩擦起電引發(fā)爆炸。早期的油罐車都在車尾部位裝一條鐵鏈垂到地面上，就是要把靜電及時(shí)送給大地。

現(xiàn)在的防靜電措施就更多更可靠了：鐵鏈換成導(dǎo)電橡膠，保證時(shí)刻按住大地，不會(huì)時(shí)斷時(shí)續(xù)，也不會(huì)磕出火星。輪胎材料也采用導(dǎo)電橡膠。油罐內(nèi)放置隔油板，減輕油料的沖擊顛簸。

而加油站，從裝卸油品到給車主加油也會(huì)有不少措施用來(lái)防靜電，比如先放電再加油等等。還有面粉廠這類粉塵嚴(yán)重的行業(yè)，除了明火之外，對(duì)靜電也是嚴(yán)防死守的，因?yàn)殪o電可能導(dǎo)致可怕的粉塵爆炸，還會(huì)影響面粉的正常生產(chǎn)。

而喜歡自己裝機(jī)的朋友們更是深有體會(huì)，裸手觸摸電腦主板或內(nèi)存芯片，機(jī)器可能會(huì)“變磚”。究其原因，同樣是上面那個(gè)公式，靜電產(chǎn)生的高壓擊穿了芯片。所以廠家寄過(guò)來(lái)的電子設(shè)備，通常包裹在能夠緩釋或?qū)ё哽o電的袋子里。

我們拆裝這些設(shè)備的時(shí)候，也要先摸摸墻，或者另一只手扶住大機(jī)器的金屬外殼。專業(yè)從事電路維修的師傅們，桌上常備一塊接地的導(dǎo)電橡膠，腕上也套著導(dǎo)電“手銬”。

電子設(shè)備外的防靜電包裝 作者實(shí)拍

在電子設(shè)備生產(chǎn)的上游——半導(dǎo)體行業(yè)里，對(duì)靜電更是如臨大敵。廠房里穿著超凈服不只是罩住全身防止皮屑脫落，更是在衣服內(nèi)編入導(dǎo)電細(xì)絲，鞋底摻入碳質(zhì)的導(dǎo)電橡膠。即使在車間外圍的“灰區(qū)”行走，也要穿防靜電拖鞋。

筆者穿過(guò)幾年這種拖鞋，軟硬合適，經(jīng)久耐磨，按說(shuō)，在家里備一套，就能快樂(lè)地?cái)]貓了。但是！穿這種拖鞋會(huì)極大提高觸電的風(fēng)險(xiǎn)！（留給讀者思考：為什么？）我們權(quán)衡一下，還是忍受一下噼里啪啦吧。

常乘飛機(jī)的朋友們可能會(huì)注意到，機(jī)翼上有許多尖尖的小刺。

它們并不是通信天線，也不能提升動(dòng)力，而是用來(lái)釋放靜電的，大名靜電刷。飛機(jī)和空氣高速摩擦，必然會(huì)產(chǎn)生靜電，但沒(méi)辦法使用油罐車那樣的拖地設(shè)備，于是利用靜電在尖銳外形的部位會(huì)向空中釋放的原理，安裝了這些小尖刺。

而日常生活中能經(jīng)歷的最大規(guī)模的靜電放電現(xiàn)象，應(yīng)該就是閃電了，不過(guò)這個(gè)話題太大，就不展開(kāi)說(shuō)了。

善用靜電

雖然大多數(shù)靜電有害無(wú)益，但如果善加誘導(dǎo)，讓它按照我們的意志行事，就能創(chuàng)造價(jià)值。

對(duì)靜電最成功的使用案例應(yīng)該就是復(fù)印機(jī)。它先在半導(dǎo)體上布滿靜電，再用光照射不該有字的地方，把這里的半導(dǎo)體變成導(dǎo)體，消除此處的靜電，留下未被照射的靜電區(qū)域吸附碳粉。

把大量電荷導(dǎo)入并約束在我們?cè)O(shè)計(jì)的位置，形成一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)，就可以加速帶電粒子，研究基礎(chǔ)物理和許多相關(guān)的學(xué)科。比起回旋加速器來(lái)，這種靜電加速器的成本低，占地小，在世界上獲得廣泛應(yīng)用。

靜電加速器 來(lái)自Wikipedia 

讓壓電效應(yīng)產(chǎn)生的靜電流動(dòng)起來(lái)，可以制造石英諧振器。這是石英表的核心部件，為人們的生活帶來(lái)過(guò)巨大便利（不過(guò)隨著手機(jī)的普及，手表似乎只算服飾了）。

在噴涂行業(yè)，利用靜電的同性互斥原理，可以使霧滴均勻分散。而當(dāng)它們接近噴涂目標(biāo)時(shí)，又能靠感應(yīng)靜電吸附上去。這個(gè)場(chǎng)面其實(shí)很眼熟，基本上就是月塵毀掉月球車的原理，但用到合適的地方，就是另一個(gè)效果了。

所以，多多理解就能化敵為友，似乎是個(gè)顛撲不破的道理呢！

策劃制作

本文為科普中國(guó)-星空計(jì)劃作品

出品｜中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨曲炯 科普作者

審核丨劉茜 北京天文館研究員

策劃 | 丁崝

責(zé)編丨丁崝