4 工业生产中的静电起电

《4 工业生产中的静电起电》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4 工业生产中的静电起电（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第四章 工业生产中的静电起电,2,第四章 工业生产中的静电起电,本章主要介绍几种实际生产、生活中的静电起电问题，也是静电工程学中最常见的几类问题。重点是介绍基本概念以及分析影响起电的主要因素。,4-1 液体的静电起电,4-4 人体静电,4-2 粉体的静电起电,4-3 气体的静电起电,3,第四章 工业生产中的静电起电1,4-1 液体的静电起电,一、液体静电起电机理,本节讲述的内容是关于用力学（机械）方法使液体产生静电的现象，主要包括固体与液体之间接触分离起电和气体与液体接触分离起电两种类型。例如： 在这些场合下，固液、气液之间的边界面是产生静电的原因，所以边界面的性质具有重要意义。 把液体静

2、电起电现象统一起来的传统理论，是以在液体中的带电粒子所形成的边界层上的偶电层学说为依据，这种偶电层由于力学的（机械的）作用力而分离，从而导致了静电起电。,4,第四章 工业生产中的静电起电1,液体静电起电的偶电层理论：液体与固体或气体接触时，由于边界上的电荷分布不均匀，在边界处形成符号相反的两层电荷，称为偶电层。 正、负电荷层之间存在着电位差，带电粒子从一种物质移向另外一种物质，在通过偶电层之间的电场时，要对带电粒子做功，因而可以把偶电层之间的电位差理解为两物质之间的电位差。 偶电层模型最初是亥姆霍兹（Helmholtz）发明的,因此称为亥姆霍兹层。,5,形成偶电层的直接原因是正、负离子的转移。

3、当金属浸入水或高电容率的液体时，极性很大的水分子或极性溶剂分子与金属上的离子相吸引而发生水化或溶剂化作用，在界面处使某一种极性的金属离子进入液体，液体中相反极性游离状态的可溶性离子被固体吸收，一些,极性分子有序地排列在界面处的金属离子周围，形成如图5-51所示的亥姆霍兹层。 图中表明极性液体分子规则地排列在来自金属的正离子周围，组成外层。偶电层的内层电荷，是紧贴在固体表面、厚度为一个分子直径的离子层。两层之间的电位差叫做亥姆霍兹电位差。,6,第四章 工业生产中的静电起电1,偶电层的外层离子是可动的，它一方面受内层电荷的静电力，另一方面受热运动的“反作用”。因此它的分布将延伸到距离界面达几十个乃

4、至几百个分子直径的距离上，称为扩散层。 固液界面处形成偶电层还有一个原因，是固体表面吸附一些分子。例如，载荷金属表面吸附有极性分子，并使其定向排列；或吸附表面活性粒子、有机分子等形成偶电层。,7,第四章 工业生产中的静电起电1,偶电层的厚度：设固体表面吸附的是负离子，液体中是正离子，如图552所示。,很明显，离界面越近，液相中正离子的浓度越大。随着离界面距离的增大，这种差别逐渐减小。直到从点b开始，正、负离子的浓度相等。都等于离子平均浓度。b点到界面的距离，称为偶电层厚度,用表示。,8,第四章 工业生产中的静电起电1,液体内电荷由界面向内部延伸，只有一部分电荷被固体表面电荷层紧紧地吸引在界面附

5、近，形成了一个不能被流动的液体带走的固定层。这一层的厚度大约为一个分子直径大小，如图553所示。,因此，液体相对于固体的运动实际上发生在液体内部距离固体表面为d的平面上。这个面称为滑动面。 由滑动面向液体内部约几百个分子直径的范围是一个易于扩散的电荷层，称为扩散层。 固定层与扩散层之间的滑动面上的电位叫做电动电位，也叫电位 。固液分界面上的电位称为总电位。,9,第四章 工业生产中的静电起电1,偶电层理论对电渗现象的解释 电渗现象：在如图555所示的玻璃容器中装水，两容器中分别放入电极并接上电源。电源接通前两边容器的液面持平，接通电源后，毛细管内的水沿外电场方向流动，使一边液面降低，另一边液而升

6、高，直到压力差引起的液体反向流动与外场作用的流动平衡为止。,液体流动是因为外电场的力使扩散层离子移动，移动的离子又带动液体流动所致。利用这一原理，可根据外电场的大小和毛细管两端的压力差测定固液界面的电动电位。 偶电层理论同样可以解释电泳、毛细电泳以及液体的各种起电现象。,10,第四章 工业生产中的静电起电1,二、液体静电起电的方式,（1）液体的流动起电 当液体在介质管道中因压力差的作用而流动时，扩散层上的电荷被冲刷下来，随着液体作定向运动，形成电流，称为冲流电流。它等于单位时间内通过管路横截面上被冲刷下来的电荷量。如果扩散层上是正电荷，则冲流电流的方向与液体流动的方向一致。如下图所示。,11,

7、冲流电流使管路一端有较多的正电荷，另一端有较多的负电荷。于是管路两端出现电位差，称为冲流电压，用U 表示。在冲流电压的作用下，会产生一个与冲流电流方向相反的欧姆电流U/R。R 为管路两端间液程的总电阻。当冲流电流和反向的欧姆电流相等时，管路的两端就形成一个稳定的冲流电压U。,可得，冲流电流（或冲流电流）与管路两端的压力差成正比。,p为两管路的压强；为液体粘滞系数； r 为管路内半径，且r； 为偶电层的厚度,12,第四章 工业生产中的静电起电1,影响液体流动起电的因素：（a）管路长度的影响：一般情况下，液体流动起电时，冲流电流和电荷密度的值随管路长度按指数规律增加，当长度无限增长时，电荷密度趋于

8、一个饱和值。下图是一个示意图。,13,第四章 工业生产中的静电起电1,（b）液体内杂质的影响：有一类液体，其分子具有对称结构，内部正负电荷中心重合，电偶极矩为零。因此，这类液体内部没有直接离解成的正负离子，在管内流动时，难以测量到静电起电现象。这类液体中离子的来源主要依靠杂质。这些杂质可以直接离解为正负离子，所以含杂质的液体中存在着大量的正负离子，在管道中流动时可以产生明显的静电。杂质对液体介质带电的影响在生产中也有所发现。例如，曾发生有某种油品的静电带电电量突然大幅度增加，并因此造成静电事故。经实际测量和分析表明，这种突然性静电事故的发生是因为在油品中偶然出现微量杂质所致。应该注意，并非杂质

9、越多就越容易起电。相反，如杂质含量较多时，液体却不容易带上静电，这是因为杂质多的液体电导率较大而使电荷容易泄露。杂质不仅影响液体介质的带电程度，还影响带电的符号。,14,（c）液体电导率的影响： 实验表明，当液体中缺少正、负带电粒子，电导率很低时，很难产生静电；当液体中存在有较多杂质离子，电导率较高时，所产生的静电极易泄漏，也不会带上较多的静电；液体的电导率在10-1310-17Sm范围内时，容易产生静电，而在10-1410-15Sm范围内产生的静电电量最大。 也就是说，液体介质的电导率过小和过大时都不易产生静电起电现象。只有电导率居中时，才有可能产生较多的静电。,15,第四章 工业生产中的静

10、电起电1,（d）管道材质及管壁粗糙程度的影响：,不同材料做成的管道，其电导率的差别很大，它们对静电的泄露速度也很不一样。 在其他条件相同的情况下，电导率高的管道中液体的带电量小；反之液体的带电量大。而管道内壁越粗糙，接触面积越大，冲击和分离的机会越多，液体的冲流电流越大，带电程度越高。,16,第四章 工业生产中的静电起电1,（e）液体流动状态的影响：实验结果表明，紊流的液体比片流的液体带电量大得多。其原因为：液体流动状态改变时，一方面由于本身热运动和碰撞可能产生新的空间电荷（如下图5-63所示）；另一方面，液体从片流到紊流，液体内部的速度分布发生变化（如下图5-64所示）。片流时，液体流速沿管

11、径的分布呈抛物线状；而在紊流时，液体流速在管道中是均匀的。在靠近管壁处，紊流比片流有较大的速度梯度。速度梯度的变化使扩散层上更多的电荷趋向管道中心，从而使整个管道的电荷密度比片流时提高了，并使液体带有较多的电量。,17,第四章 工业生产中的静电起电1,18,（f）水分的影响： 在高电阻率的油品中混入水分，会增加油品带电量。这种静电荷的增加不是水与油品直接作用的结果，而是通过对杂质的作用其间接作用。一般情况下，油品内混入的水份在1%-5%时，增加的带电量最大。,19,第四章 工业生产中的静电起电,（2）液体中微粒的沉降起电,沉降起电：当悬浮在液体中的微粒沉降时，会使微粒和液体带上不同性质的电荷，

12、在容器上下部产生电位差，称为沉降起电。 沉降起电现象可以用偶电层理论来解释，当液体（水）中存在有固体微粒时，在固液界面处形成偶电层，当固体微粒下沉时，带走吸附在表面的电荷，使液体和固体粒子分别带上不同符号的电荷。液体内部产生静电场，液体上下部产生了电位差。,沉降电场作用于带电粒子的结果，在液体内部产生于沉降电流方向相反的欧姆电流。当沉降电流与欧姆电流达到平衡时，液体中形成稳定的电场和沉降电位差。,20,第四章 工业生产中的静电起电1,（3）液体喷射起电,喷射起电：当固态或者液态微粒从喷嘴中高速喷出时，会使喷嘴和微粒分别带上不同符号的电荷，这种现象称为喷射起电。 喷射起电现象也可以用偶电层理论来

13、解释。由于固态和液态微粒之间存在着迅速的接触和分离，接触时，在接触面处形成偶电层；分离时，微粒把一种符号的电荷带走，另一种符号的电荷留在喷嘴上，结果使微粒和喷嘴分别带上不同符号的电荷。,21,另外，当高压下的液体从喷嘴式管口喷出后呈束状，在与空气接触时分裂成很多小液滴，其中比较大的液滴很快沉降，其它微小的液滴停留在空气中形成雾状小液滴云。这个小液滴云是带有大量电荷的电荷云，例如水或甲醇等在高压喷出后就是这样。易燃液体，如汽油、液化煤气等由喷嘴、容器裂缝等开口处高速喷出时产生静电，带电云与金属导体之间产生放电时，放电火花很容易引起火灾事故。天津、西安等地的液化汽站就曾经发生过这样的事故。,22,

14、第四章 工业生产中的静电起电1,（4）液体冲击起电,冲击起电：液体从管道口喷出后碰到壁或板，会使液体向上飞溅形成很多微小的液滴。这些液滴在破裂时会带电，并在其间形成电荷云。称为冲击起电。 这种起电方式在石油产品的储运中经常遇到，如轻质油品经过顶部注入口给储油罐装油，油柱落下时对罐壁或者油面发生冲击，引起飞沫、气泡或者雾滴而带电。,23,第四章 工业生产中的静电起电1,（5）液体溅泼起电,溅泼起电：当液体溅泼在非浸润的固体上时，液滴开始滚动，使固体带上一种符号的电荷，液体带上另外一种符号的电荷，这种现象称为溅泼起电。 其原因是液滴落在固体表面时，在接触面处形成偶电层，液滴滚动带走了扩散层上的电荷

15、而带电，固定层上的电荷留在固体表面而带上另外的电荷。,24,第四章 工业生产中的静电起电2,4-2 粉体的静电起电,粉体由分散性固体颗粒组成，每一个颗粒都是体积很小的固体介质。在我们日常生活和工农业生产中，经常会遇到粉体物质因静电影响生产速度和产品质量，影响人们的正常生活，甚至引起灾害性事故。 例如，在烟花爆竹生产中，曾因筛药、装填等工序产生的静电火花引发过多起重大伤亡事故；在面粉、奶粉及许多高聚物粉体生产中，因静电问题，不得不降低生产速度，甚至停产检修。因此，无论是静电应用技术研究还是防静电危害研究，粉体静电问题都是非常重要的。,25,第四章 工业生产中的静电起电2,一、粉体特性与静电起电机

16、理,（1）粉体材料特性 粉体是处于特殊状态下的固体，一般粉体都是经过机械粉碎研磨等工艺加工而成，有些粉体颗粒的直径在微米以下，近年来又出现了纳米材料。与大块的固体材料相比，粉体本身具有分散性和悬浮性两大特点。 粉体的分散性使粉体表面积比相同材料、相同质量的整块固体的表面积要增大很多倍，粉体的颗粒越小，表面积增大的幅度越大； 粉体的悬浮特性使粉体颗粒很容易悬浮在空气中形成烟尘，或者悬浮于液体中，很难沉淀析出。,26,第四章 工业生产中的静电起电2,（2）粉体静电起电机理 由于粉体都是固体物质，因此其静电起电过程都遵循固体的接触起电规律。 同种粉体颗粒相互之间接触、分离，不易使粉体带电。 粉体在生产和储存输送过程中，要发生研磨、搅拌、筛分、以及高速运动等现象。粉体颗粒因与加工器具、输送管道内壁、容器内壁以及筛网等器具之间的接触分离、碰撞、摩擦、剥离、断裂等现象而产生静电。 粉体的悬浮特性使得粉体颗粒与大地总是绝缘的。因此，不管粉体材料是金属还是绝缘体，每一个小颗粒都有可能带电。 粉体的静电电压可以高达数千伏，甚至数万伏，对于存在易燃粉尘场所，是非常危险的。 在工农业生产和火炸药生产过程中，粉体经管道气力输送时产生静电现象，是比较典型的粉体静电起电现象，下面以此为例，讨论影响粉体起电的主要因素。,