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【實作實驗室】看不到的靜電為什麼會引發爆炸?

   
作者:實作派

各位應該有以下的經驗,冬天脫毛衣的時候會有劈哩啪啦的靜電聲響、關車門的時候會被電到,按電梯門也會被電到,這些都是靜電造成的現象。

此時心中不免有個疑問,靜電會產生火花表示電壓 V 很高,根據歐姆定律 V=IR,電流也應該很高,那靜電會不會電死人?但經驗上似乎沒聽過有人被靜電電死,難道歐姆定律失效了嗎?

靜電的電壓與放電

其實歐姆定律並沒有失效,差別只在於你對這個公式的了解有多深。一般講 V=IR 是指直流電,所以電壓 V、電流 I、電阻 R,全都是一個固定的數值,但如果要用在靜電分析上面,我們必須考慮時間,因為靜電放電時的電壓會隨著時間而遞減,如下圖,所以歐姆定律要寫成帶有時間參數的形式 V(t)= I(t)×R。

(圖片來源:實作派提供)

為什麼靜電的電壓會在放電過程中遞減?因為人體有電容效應,因此靜電放電時的電壓變化與電容的放電行為相同,它會呈現指數下降的趨勢。那人體的電容是多少?每個人不一樣,所以需要定義一個標準作為產品規格的依據,MIL-STD-883E 規範內的 Method 3015 定義人體放電模型 HBM 的電容為 100 pF。

我在上圖中還特別在 V0 的位置畫了一條切線,這條線與 x 軸的交會處就是所謂的時間常數 τ(Time constant),在學術上我們會拿 τ 來比較電容放電的時間長短,但是在實務上我通常會直接把曲線測試出來看下降程度,這樣一翻兩瞪眼,反正我只要能確認哪顆電容比較適合,能買得到就可以了。

會讓你感到刺痛的就是最高的那個初始電壓 V0,它會高到 KV 等級足以產生火花 Spike 或稱為電弧 Arc,為什麼呢?我們來看下面這個公式:Q=C*V

Q:電荷,單位庫倫 Coulomb

C:電容,單位法拉 Farad

V:電壓,單位伏特 Voltage

這個公式原本來自於電容的定義 C=Q/V,描述單位電壓可以拉住多少電荷。雖然在數學上只要恆等式成立,可以任意移項,例如 Q=CV、C=Q/V、V=Q/C 數學上都一樣,但在物理意義上,則有先來後到的因果關係在,數學在這裡只是工具而已,說明如下:

以往我們對電容充電,都是利用電壓充電,所以電容器都有耐壓,例如 220 uF/16 V 之類,因此電容與電壓是因,電荷的總量是果,但是生活中的靜電,它是透過摩擦/分離,直接產生電荷放進電容器。例如你穿著橡膠鞋走過羊毛地毯,身體就直接累積了大量的電荷,所以電荷是因,電壓是果(由於日常物品的對地電容通常很小,大約是幾十個 pico 法拉等級,所以電壓當然就會竄升到 KV 等級)。

再舉個例子,飛機在三萬英呎高空,對地電容很低,與空氣相對速度又高,合理推斷對地電壓可能會到百萬伏特,但從來也沒辦法測量,我只能在這裡打嘴砲。飛機一旦降落觸地,電容變大,電壓變小,說變小可能都還有 1 萬伏特,總電荷量還是很可觀,所以飛機加油的時候需要先接地排除靜電再加油,否則會產生火花非常危險。

動手做實驗 — 靜電放電

講了那麼多,實際上物體摩擦之後到底帶了多少靜電電壓?我們就來做實驗吧,我不會去測量車身的電壓,那太麻煩。我只會在室內利用簡單的土炮材料模擬靜電放電,而且由於靜電壓很高,會超過示波器的上限,因此我們還需要稍微設計一下實驗的環境。

  • 實驗設計

如下圖,我打算利用塑膠片與自己的衣服摩擦產生靜電,然後將電荷放到自製的 C1 電容內,接著就可以利用 SW1 將電容與電阻 R1 做短路產生放電並用示波器觀察。

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Author: StrongPiLab

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