EMI/EMC－－原理与应对详解（三）

草原狼王

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2．物体带电与电场感应
从原理上说，绝对不带电的物体是不存在的，任何物体都会不知不觉地就会带上电。每种物质都有一个代表自己性质的位能，两种不同性质的物体靠近在一起就会产生“接点电位差”。当两种不同性质的物体接触在一起时，这两种物质在其体内就要对电荷进行重新分布，使物体保持电中性，例如：P型半导体与N型半导体互相接触，在两物体的交界处就会产生PN结，在PN结内部会产生一个空间电荷区，这个空间电荷区的产生，必然要进一步使P型半导体和N型半导体——两个物体的内部都要对电荷进行重新分布。这时，如果再把两个物体分开，两个物体都将会带电，一个带正电，另一个带负电。
物体带电，相当于自身的位能增加或降低了，若带电物体再次与其它不同性质的带电物体接触后又分开，两带电物体又会带上更多的电荷，即：位能在不断增加或降低，静电感应发电机就是根据这个原理制造的。
在两个用有机玻璃材料做成的轮子上，按等分距离把两种不同性质的条状金属片，分别镶在两个有机玻璃轮子某一则的表面之中，相当于金属片一面绝缘，一面暴露。然后，把两个镶有条状金属片的有机玻璃轮子的绝缘面互相靠在一起，并按相反方向转动，两个轮子上不同性质金属片将互相感应带电，同时也使两个有机玻璃轮子局部极化带电，两个有机玻璃轮子上的金属片每对上一次，通过静电感应，一个金属片的电位会继续升高，而另一个却要降低。这样，两边金属片上积累的电荷将越来越多，最后，可以分别用两个金属毛刷把金属片上积累的电荷收集到莱顿瓶中（用玻璃瓶做成的电容器），当莱顿瓶中积累的电荷达到一定的数量后，即：电压超过某个值后，莱顿瓶的两个电极开始放电，并产生火光及响声。

图3是一个让物体产生高压电的原理图，在水龙头的下面安放一个用金属薄片制作的圆圈（用金属罐头盒改制），金属圆圈必须要与周围绝缘，然后让水龙头流出的水正好从金属圆圈的中央穿过，金属圆圈很快就会带电，并且电压非常高，一般可达一万伏以上。用试电笔做试验时，当试电笔离金属圆圈还很远的地方，就可以看到试电笔被点亮，甚至拿一个小荧光灯靠近，也可以看得到荧光灯微亮。这说明电压非常高，但对人体不存在被触电的危险，因为金属圆圈的电容量很小，存储的能量有限。
这个原理与摩擦发电的原理是很接近的，首先是水与周围空气生产摩擦使空气带电（空气被电离成正、负离子，由于正离子比较重，很容易被水带走），然后带电空气会感应金属圆圈带电，或负离子直接与金属圆圈接触，使金属圆圈带负电。我们也会发现，在大瀑布附近的空气中负离子的浓度非常高，或下暴雨的时候，空气中负离子的浓度也很高，主要原因就是速度极高的流水或雨滴会让空气产生电离带电。
冬天人们走在地毯上也经常会发现，当手突然碰到楼梯金属扶手的时候，会感到手被麻电，这也是因为人体穿的皮鞋与地毯摩擦产生带电，然后传到人的身体上。其实人体带电一般自己是没有感觉的，哪怕人体带上几万伏的电压，一般人体也没有感觉，只有带电人体与其它物体接触产生放电时才会感觉麻电。例如：在冬天没有灯光的夜里，人们脱尼龙衫或毛线衣的时候，会发现衣服之间有蓝色火光，并且还伴随着啪、啪、啪的放电声，这证明衣服已经带上非常高的电压。
带电物体是具有能量的，即：电场具有能量。带电体的能量为：
（6）
上式中，C为带电体的电容，U为带电体的电位。带电体的能量属于位能，当要计算带电体的能量的时候，必须指出参考点，如果不特别指出，一般都把地球作为参考点，或把无限远处作为参考点，即：把地球作为零电位，或把无限远处作为零电位。把地球作为零电位比较方便，因为，我们所使用的一切物体都是来自地球，无论你怎样对它加工或运作，新产生的电荷总是在原有电荷的基础上进行叠加，所以不需要再用过问物体原来带的电荷是多少。带电物体的电容由下式求得：
（7）
上式中，电容C的单位为法拉，ε为介电常数（在真空中为1），S为带电物体与参照物体之间电力线互相照射的面积（与电场垂直，单位米2），在国际单位制中k = 9×109牛顿•米2/库仑2，d为带电物体到参照物的有效距离（单位米）。
实际上电场干扰，或电场感应，都是通过电容的工作原理进行的，电场对电子设备中其它电路的干扰，不但与电场强度有关，还与被干扰电路参考点的位置有关，以及带电物体的电容量有关。如果要精确计算某带电体对其它物体产生的电感应，就必须熟练地应用（6）式和（7）式来计算各个物体之间的电容。同一个带电体相对不同的其它物体，因为相对位置以及电场强度不同，其电容量也不同。知道了电容容量就可以计算电容的充放电过程，从而可以求出电压、电流、功率等各种参数。

图4是带电物体对其它物体产生感应的原理图。图4中，A是带电物体，其电位为U0，E表示电场强度或电场力线，Q0为其带电量；带电物体A对物体B和物体C均会产生电场感应，U1和U2分别为物体B和物体C被物体A感应产生的对地电位；Q1和Q2分别为物体B和物体C被物体A感应产生的电荷量。带电物体A的电荷Q0越多，其电位U0就越高，并且其对物体B或物体C产生感应影响的力度就越大。
因此，我们可以用电容来定义电荷与感应电压的关系，即：用电容表示单位电压感应产生的电量：
（8）
上式中，电容C的单位为法拉，电荷Q的单位为库仑，电压V的单位为伏特。
设：物体B和物体C没受带电物体A感应之前，所带电荷以及对地电位均为零，则：电荷Q1和Q2，电压U1和U2都是由于带电物体A对物体B和物体C感应产生的电荷和电压；U0越高，感应产生的U1和U2对地电位就越高，以及电荷Q1和Q2就越多，由此可求得：

上式中，V1 = U0 – U1 ，V2 = U0 – U2 ，C1和C2分别表示带电物体A对物体B和物体C产生电场感应互相影响的力度，电容容量越大，表示两者产生电场感应互相影响力度就越大。因此，这里我们还可以把（8）、（9）、（10）式中的电容C定义为电荷感应系数，与磁感应中的互感系数（或磁感应系数）M相互对应。由此可知，电容C不但可以表示一个带电物体存储电荷的多少，而且可以表示带电物体对其它物体产生影响的力度。
在电子设备中，由于MOS电路的阻抗很大，而其电容非常小，因此，只要带电体产生很小能量的电荷转移，或静电感应，就能把MOS电路击穿。因此，在生产或调试含MOS电路的电子设备的时候，要注意静电感应和工作人员的身体不能带电。在没有采取任何措施的情况下，人体一般都带有几十伏甚至数百伏的静电电压，当人手触及还没有接入电路中的IC时，很容易会把IC击穿。对还没有使用的IC保存或者包装也要注意静电感应，最好把IC保存在金属盒或具有防止静电感应的塑料盒内。防静电感应塑料一般都是在塑料中混入导电物质。