陶老师ESD、EMI、EMC讲座（1）——静电的产生

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大家下午好！上次我已经给大家做过一次报告了，见过了很多老朋友，我想这一次有很多新朋友。大家对这个题目相当感兴趣，刚才在下面我也与大家讨论过，电磁场的理论现在是全世界的科学家都在关注的问题，也是一个最基础的物理理论，去年在欧洲已经进行了一个全世界最大的量子力学研究中心，最早我们在八几年，邓小平刚刚上台的时候，在北大到八宝山也建了一个这样的研究中心，加速器的轨道一般都要几十公里，把力学压缩以后进行观察、碰撞产生的结果。现在电磁场理论实际上就是量子力学里面的部分，今天我们讨论的所谓的电都是与电磁场有关系，无论是静电还是电磁感应，都是现在很多没有完全解决的问题，特别是带着有场的东西，里面有着一些简单的概念，这个场人们还没有办法解决，就用场把这个概念掩盖住。比如说电动机怎么转动，电子和转子根本没有接触，因为里面存在场，有了电磁场的存在就转动，这个场是什么现在还不清楚。电磁感应也是一样，就像心灵感应一样，你想想心灵感应，我想什么东西，你想什么东西，互相能够知道吗？这也是一个类似的概念，电磁感应现在没有完全解决。我今天不讲这么多了，因为上次讲了一部分，有一些新概念引进来，我们先把雷电的产生过程与大家介绍一下。

今天讲的内容大概就是这些，雷电的产生，ESD与雷电，ESD就是静电放电；电磁感应与EMI，EMI就是电磁干扰，静电的产生，带电物体的电容，磁场感应与干扰，电子线路中的电磁干扰，传导干扰、电磁辐射原理，还有对EMI进行测试，什么是EMC？EMC就是电磁兼容，雷电和 EMI的防护，除了这些内容，我想都是大家比较感兴趣的，也比较重要的，这些内容估计在书上找不到，因为这些都是我几十年来的工作经验总结。我做这个技术已经做了四十多年，我从十几岁就开始接触电，是一个爱好者。后来我到了一个军工厂从事雷达、识别器和雷达干扰机，这些东西都是比较尖端的国防工业技术。后来回来以后组建了康佳技术开发中心，一辈子都是做技术的，所以在技术工作的过程中积累了不少经验。我现在已经退休了，所以我想能够利用这个机会，很高兴把我所知道的技术和经验介绍给大家。

先初步认识一下什么是雷电。这是迪拜的世界上最高的塔遭雷劈所拍的照片，这个塔是800多米，是全世界最高的塔。按照这个距离量下去就知道它的路线有多少米。雷电就是静电放电的过程。这也是迪拜塔受雷击所拍的照片，这是一个乡村遭雷击的照片，这是树林、山林遭雷击的照片，这是大巴遭雷击的照片，所以大家就知道了雷电有多么厉害。前两天黑龙江和内蒙古的大兴安岭、小兴安岭发生火灾也是因为雷电产生的。这是遭雷电劈的电视机，这是遭雷电击坏的电脑设备，每年我们国家大概都有几百万台电子设备遭雷击损坏。

刚才跟大家介绍一下什么叫雷电和ESD，ESD就是静电放电，雷电也属于静电放电，所以大家都知道ESD的危害性有多大。地球每秒钟大概就有100多次闪电，每闪电一次能量就可以提供100w的灯泡供我们用3个月，在雨季平均每6分钟就有一个人被雷电击中，中国还不是受雷电受害最集中的地区，在非洲这些地区受雷击更严重，上海电视塔平均每年要遭受33次大的雷击，今年4月13日上海电视台电子设备遭受不同程度的雷击，天线站玻璃钢都起火了，变成一个大火球烧起来了。还有一次是1992年在北京国家气象中心也受到雷击，损失了2000多万元。在全世界每年受雷电击坏的设备都是以千万为单位，每年遭受的损失都是上千亿。我们现在使用的电子设备价格越来越高，对防雷的要求也越来越高。

为什么会产生雷电？可能大部分人都不知道，我在这里就给大家讲解一下雷电是怎么产生的。雷电是由于电磁场产生的，世界上什么电都是通过电磁场反应产生的。为什么会产生雷电呢？因为在离地球30公里外有一个电离层，电离层实际上就是最外的空气受到太阳光、紫外线照射而产生电离，太阳光实际上也是一种电磁波，电磁波的作用相当于我们把一个食物放在微波炉里面加热，原理是差不多的，但是微波的波长线很长，紫外线相当短，所以作用不一样，用微波炉不能把空气进行电离，只有紫外线能够电离。被电离以后会分成两层，一层带正电，一层带负电，与地球相对的一层带正电，地球就是带负电。地球是一个圆的，带电的话相当于电层强度是散发性的，越靠近地球电容强度越高，靠近地球表面是100v，也就是说一米高的位置电容强度是100v电容强度就是用这个来表示，大家在中学里面很少用电位梯度的概念表达电容强度，后面我们在工作中还是用电位梯度来表示电容强度是最合适的，比如灵敏度、多少毫伏米都是属于电感强度。以前是用牛顿的力学来表达，那个概念相对来说比较难理解，两个带电物体之间产生多少牛顿力的时候，换算成单位来表示电容强度，这个强度不太好理解，如果用电位梯度表示就很方便了。

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由于地球是带电的，相对电容层来说。一个物体在地球空间里面就会受到电场的作用产生极化，什么叫极化？就是说一个物体原来是不带电的，现在产生极化带电，一端带正电，一端带负电。比如说这个源相当于一个导体，如果底下是绝缘的话，上面如果没有屏蔽，我的上面就带负电，下面带正电，中间这个地方是不带电的，人相对来说还是偏中性，但是虽然极化带电的，但我总得来说还是变中性，带的正电和负电都是相等的。如果把原来极化带电的物体分成两个，这两个都会带电。形象地说，一朵云在电场作用下极化带电，但没有产品电流，电感强度没有达到这么高，如果把它分成两块就会产生电容带电。现在由于风的作用，把它一吹变成两块，中间的地方分成两块，有一块相当于带负电，有一块带正电。这就表示电位曲线，中间这个地方表示电位反映，上面带负电，下面带正电，这个幅度越高表示带电幅度也越高。这个没有带正电，那个没有带负电，电容性就破坏了，相对来说是带负电，这个带正电的。云带电就是因为这样产生的。

如果两个极化带电的云配在一起就是两块，原来没有带电的，只是极化带电的两个合在一起，相当于把体积加大，电位加高，相当于能量变大了。如果把两块带负电或者两块带正电的合起来，负电能量也在增加，正电能量也在增加，两头都变成是带电的。大家注意，电感强度不管带的定位多高，电感强度还是一样的，电位梯度都是一样，斜率也都是一样的，不管大小，斜率都是一样的，因为电感强度是由电子层决定的，所以斜率也是一定的。

如果一个带电体之间分开的话，就有一个大的电位，绝对值相对来说也会偏高，这就是因为云受到极化带电以后，分分离离又合合，使得云带的电越来越高。带电越来越高以后能量也越来越高，两个碰在一起就会放电，就会产生雷电，雷电就是这样产生的。雷电就是因为在地球的外围空间里面存在电场，云又受到风的作用，才会互相分离又互相组合，使带电物体的电位越来越高，最后形成放电。还有摩擦带电也是由于电场产生的，因为两种不同的物体有接点电位差，电磁也是靠两种不同物体产生的电位差，最后产生化学作用，之前电场没有发生化学作用的时候，两个物体靠在一起就会产生电场作用，就已经有了电位差，产生摩擦的话和雷电产生的过程一样，来回分离又组合，最后产生一个高的电场。

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举一个具体的例子，比如说我现在这个人站在地上，我是光着脚，地板是导电的，这个椅子是绝缘的，我从地面一站到椅子上就相当于我带电了。为什么？因为我原来是极化带电，上面带负电，下面带正电，我站在地上下面就变成零，上面变成了-100v，站上去的时候相对来说我就变成带电的人。所以，很多在半导体车间或者和集成电路接触、打交道的人，不要随随便便用人摸集成电路，因为你这个人不知不觉就带电了，你从门外面走进房子里很可能就带电了，在上楼梯或者地板铺有一层绝缘的东西，在绝缘以外的时候你不带电，站上去就带电了，因为上面有电层。还有空调的风吹出来的空气会和你身体上面的衣服进行摩擦、感应，它容易带电，用静电笔来测，随便碰衣服或头发，上面带的电基本上都有300v左右，如果摩擦几下大概就有4000-5000v，所以静电感应是相当厉害的，很多模型电路在送到工厂的时候就是用盒子包装，因为盒子是导电的，如果用电表去量它好像没有电阻，电阻是无穷大，其实它是导电的，相对来说电导率很低，也就是电阻很大。