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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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