静电为什么电压很高而电流很小?
▍┣静电为什么电压很高而电流很小?
静电为什么电压很高而电流很小?应该说这个问题本身就是错的,因为高电压必然导致大电流,否则欧姆定律就要改写。多数情况下静电之所以电不死人,并非电流小而是作用时间短,从图中可以看出静电处于峰值电压的时间连一个纳秒都不到:
下图是一个63A空开,上面却标了6000A的瞬间跳闸电流。所以通电时间长短才是破坏力大小的关键。
静电本身是一种相对静止的电荷,其能量取决于电荷总量的多少,我们平时见到的电容器就是储存电荷的电子元件。
能产生静电的部位也相当于一个电容器,由于容量极小,当大量电荷湧入时只能用抬高电压的办法来进行储存,这就是静电电压高的原因。而材料特性又限制了静电的最高电压,所以这就决定了静电总能量有限,只要具备放电条件瞬间即可泄放殆尽。一般不会对人体造成伤害。
但静电也并非不能携带大能量,我们平时常见的雷電就是大自然的静电放电现象。经常修理电器的人大都也经历过被关闭电源后的电器电到的情况,这是电器内部大容量电容放电的结果。不要小看这种电容放电,有些高压电容也是可以致命的,切不可掉以轻心。以上是我的回答。
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▍⊿静电为什么电压很高而电流很小?
很多人都回答了电流为什么小,不过他们都忽略了另一个问题:电压为什么高?
从发电厂送到家里的电压也才220伏,但我随便穿个毛衣就能产生上千伏的电压,这难道不是一件值得深思的事吗?
电压为什么高?
这是一些数据,在地毯上走动可产生1500~35000伏静电;在乙烯树酯地板上走动时可产生250~12000伏静电;脱化纤衣服时的静电电压可高达数万伏。
其实如此高的电压和电容器的性质有关,最简单的电容器是一对平行金属板,两块金属板靠得很近。由于正电荷和负电荷相互吸引,如果两块金属板分别带有正电荷和负电荷,这些电荷就会被存储在平行金属板上。
平行金属板上存储的电荷量和金属板间的电压有一个关系,它们的比值是一个常数,这个常数就是电容,或者说是电容量。
每一个电容器都有自己的电容量,存储相同的电荷,电压越低,说明电容量越大。这就像装水的容器,存储相同的水,水位越低,说明容量越大;装到相同的水位,存的水越多,说明容量越大。
注意,上面的平行金属板只是电容器的一个例子。生活中到处都是电容器,任意两个导体都可以形成电容器,比如人的手和金属门把手就能形成一个电容器。
我们通常说的静电电压就是电容器上的电压,这个电压与电容器上的电荷量和电容量有关,也就是上面提到的那个公式。
通常生活中的电容器存储的电荷量非常小,但是电容量更小,这就导致电压会很高。
其实电容量的大小也可以简单判断,两块导体距离越远,电容量越小;两块导体正对的面积越大,电容量越大。
电流为什么小?
冬天,手碰金属门把手的时候被电,是因为有电流流过我们的手。注意,要有电流流过人体才会触电,电流才是伤人的因素,电压并不是最关键的因素。
我知道很多人都学过欧姆定律,电阻不变,电压越大,电流也越大。
你们可能会问:家用电220伏非常危险,但是生活中的静电随随便便就是上千伏,如果电流才是伤人的因素,按照欧姆定律,生活中的静电不是比220伏的家用电还要危险吗?
答案很简单,欧姆定律仍然适用,只不过两种场景的电阻不同。
如果发生的是家用电220伏的触电,说明人体同时接触了电源的两极。套用欧姆定律,电压是220伏,电阻是人体的电阻,人体的电阻大约是500欧姆,相对来说比较小,所以产生的电流还是比较大的。
如果发生的是日常生活中静电的触电,说明人体只是电源的一极,电源的另一极是其它的导体(比如金属门把手)。套用欧姆定律,电压可能有上千伏,电阻主要是空气的电阻,即使高电压会击穿空气,也只是提高了空气的电阻率,空气的电阻依旧很大,所以产生的电流也比较小。
另外,静电通常是在干燥的环境中发生的现象,人体带的电荷只分布在人体的表面,人体干燥的皮肤会有10万欧姆左右的电阻,这个电阻也很大,所以产生的电流也会比较小。
多说几句
静电引起的电流其实就是电容器放电的过程,分析这种电流也可以用电容器遵循的规律(也就是上面提到的公式)。
电流(电流量)是单位时间内通过某个截面的电荷量,也就是电荷量的变化率(表示电荷量变化的快慢),由此可以得到电容器放电时的电流。
决定电流大小的是电容量的大小和电压变化的快慢。上面说过,静电电压高是由于电容量小,所以单看电容量,电流会很小。
至于电压变化的快慢,这涉及到物理学的一个基本原理:能量不突变(动力学中的牛顿第一定律就是“动能不突变”的体现,这是“机械惯性”,在电磁学中还存在“电磁惯性”)。可以说电容器是在存储电荷,也可以说电容器是在存储能量,存储的是静电场的能量。
静电场的能量不能突变,所以电容器上的电压也不能突变,这就是一种“电磁惯性”。结果就是电容器上的电压变化得很慢,电流很小。
说这些内容是因为我一开始就是这么分析的,但是后来发现自己忽略了“如果电容量很小,那么电压变化也会很快”,导致这个分析判断不了电流究竟大还是小。
不过好在这并不是什么大麻烦,很容易解决。最后发现电流的最大值还是需要用欧姆定律来计算,也就是说静电不代表电流就一定小,电流到底大还是小,还得看电阻。
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▍⇠静电为什么电压很高而电流很小?
题主前半句比较合理,确实静电的电压一般都很高,比如生活中见到的毛衣摩擦时的静电放电,瞬时电压有2000V左右。但是后半句电流很小的说法是很不准确的。静电放电的瞬时电压很高,电流也很大,但是时间极短。
由于时间极短(纳秒级),静电放电对外部的电击效应(形成有效电流通路并保持电流延续的效应)几乎可以忽略不计。静电放电对外部的效应主要体现在其放电的热效应上,即放电能量值(焦耳值)。
所以呢,国家标准《防止静电事故通用导则》GB 12158-2006中根本没有提静电电流的事情,因为电流可以忽略不计。《防止静电事故通用导则》评判静电放电是否形成事故的主要因素,是放电能量。公式如下:
也就是说通过上式计算出来的W放电能量,当不足以引燃外部易燃易爆物,或不足以对人体造成灼伤的话,这种静电不会形成静电放电事故。而防止静电事故的主要措施也是两个方面,一是想办法减小W的值,另一个是尽量让易燃易爆物远离可产生静电的场所。
下面是国家标准中给出的容易摩擦起静电的物质一览表。
靠上的与靠下的摩擦,靠上的带正电荷,且上下间隔越大,电荷量越大
人体电位与静电电击程度的关系一览表。
静电电压值与放电时人的感觉对应关系
所以,实际静电的防护也好,静电事前事后分析也好,主要关注点放到放电能量即可,不必纠结无关紧要的放电电流。
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因为输入永远大于输出的。
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