- 物體帶電的原理
- 物體帶電量的計(jì)算方法
- 電場(chǎng)感應(yīng)、電場(chǎng)干擾的產(chǎn)生原理
- MOS電路易被靜電擊穿的原因
- 保存IC時(shí)的防靜電方法
物體帶電與電場(chǎng)感應(yīng)
從原理上說(shuō)，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(jué)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(kāi)，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(kāi)，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(guò)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(lái)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(guò)某個(gè)值后，萊頓瓶的兩個(gè)電極開(kāi)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(guò)，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(wàn)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(shuō)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。
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(méi)有感覺(jué)的，哪怕人體帶上幾萬(wàn)伏的電壓，一般人體也沒(méi)有感覺(jué)，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(jué)麻電。例如：在冬天沒(méi)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：
（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(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(wú)限遠(yuǎn)處作為參考點(diǎn)，即：把地球作為零電位，或把無(wú)限遠(yuǎn)處作為零電位。把地球作為零電位比較方便，因?yàn)?，我們所使用的一切物體都是來(lái)自地球，無(wú)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(guò)問(wèn)物體原來(lái)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(chǎng)垂直，單位米2），在國(guó)際單位制中k = 9×109牛頓•米2/庫(kù)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(chǎng)干擾，或電場(chǎng)感應(yīng)，都是通過(guò)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（6）式和（7）式來(lái)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(guò)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。
因此，我們可以用電容來(lái)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(kù)侖，電壓V的單位為伏特。
設(shè)：物體B和物體C沒(méi)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：
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（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(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(méi)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(méi)有接入電路中的IC時(shí)，很容易會(huì)把IC擊穿。對(duì)還沒(méi)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)。
