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陶老師ESD、EMI、EMC講座(1)——靜電的產(chǎn)生
發(fā)布時(shí)間:2010-07-15 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)
大家下午好!上次我已經(jīng)給大家做過一次報(bào)告了,見過了很多老朋友,我想這一次有很多新朋友。大家對這個(gè)題目相當(dāng)感興趣,剛才在下面我也與大家討論過,電磁場的理論現(xiàn)在是全世界的科學(xué)家都在關(guān)注的問題,也是一個(gè)最基礎(chǔ)的物理理論,去年在歐洲已經(jīng)進(jìn)行了一個(gè)全世界最大的量子力學(xué)研究中心,最早我們在八幾年,鄧小平剛剛上臺(tái)的時(shí)候,在北大到八寶山也建了一個(gè)這樣的研究中心,加速器的軌道一般都要幾十公里,把力學(xué)壓縮以后進(jìn)行觀察、碰撞產(chǎn)生的結(jié)果?,F(xiàn)在電磁場理論實(shí)際上就是量子力學(xué)里面的部分,今天我們討論的所謂的電都是與電磁場有關(guān)系,無論是靜電還是電磁感應(yīng),都是現(xiàn)在很多沒有完全解決的問題,特別是帶著有場的東西,里面有著一些簡單的概念,這個(gè)場人們還沒有辦法解決,就用場把這個(gè)概念掩蓋住。比如說電動(dòng)機(jī)怎么轉(zhuǎn)動(dòng),電子和轉(zhuǎn)子根本沒有接觸,因?yàn)槔锩娲嬖趫?,有了電磁場的存在就轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)場是什么現(xiàn)在還不清楚。電磁感應(yīng)也是一樣,就像心靈感應(yīng)一樣,你想想心靈感應(yīng),我想什么東西,你想什么東西,互相能夠知道嗎?這也是一個(gè)類似的概念,電磁感應(yīng)現(xiàn)在沒有完全解決。我今天不講這么多了,因?yàn)樯洗沃v了一部分,有一些新概念引進(jìn)來,我們先把雷電的產(chǎn)生過程與大家介紹一下。
今天講的內(nèi)容大概就是這些,雷電的產(chǎn)生,ESD與雷電,ESD就是靜電放電;電磁感應(yīng)與EMI,EMI就是電磁干擾,靜電的產(chǎn)生,帶電物體的電容,磁場感應(yīng)與干擾,電子線路中的電磁干擾,傳導(dǎo)干擾、電磁輻射原理,還有對EMI進(jìn)行測試,什么是EMC?EMC就是電磁兼容,雷電和EMI的防護(hù),除了這些內(nèi)容,我想都是大家比較感興趣的,也比較重要的,這些內(nèi)容估計(jì)在書上找不到,因?yàn)檫@些都是我?guī)资陙淼墓ぷ鹘?jīng)驗(yàn)總結(jié)。我做這個(gè)技術(shù)已經(jīng)做了四十多年,我從十幾歲就開始接觸電,是一個(gè)愛好者。后來我到了一個(gè)軍工廠從事雷達(dá)、識(shí)別器和雷達(dá)干擾機(jī),這些東西都是比較尖端的國防工業(yè)技術(shù)。后來回來以后組建了康佳技術(shù)開發(fā)中心,一輩子都是做技術(shù)的,所以在技術(shù)工作的過程中積累了不少經(jīng)驗(yàn)。我現(xiàn)在已經(jīng)退休了,所以我想能夠利用這個(gè)機(jī)會(huì),很高興把我所知道的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)介紹給大家。
先初步認(rèn)識(shí)一下什么是雷電。這是迪拜的世界上最高的塔遭雷劈所拍的照片,這個(gè)塔是800多米,是全世界最高的塔。按照這個(gè)距離量下去就知道它的路線有多少米。雷電就是靜電放電的過程。這也是迪拜塔受雷擊所拍的照片,這是一個(gè)鄉(xiāng)村遭雷擊的照片,這是樹林、山林遭雷擊的照片,這是大巴遭雷擊的照片,所以大家就知道了雷電有多么厲害。前兩天黑龍江和內(nèi)蒙古的大興安嶺、小興安嶺發(fā)生火災(zāi)也是因?yàn)槔纂姰a(chǎn)生的。這是遭雷電劈的電視機(jī),這是遭雷電擊壞的電腦設(shè)備,每年我們國家大概都有幾百萬臺(tái)電子設(shè)備遭雷擊損壞。
剛才跟大家介紹一下什么叫雷電和ESD,ESD就是靜電放電,雷電也屬于靜電放電,所以大家都知道ESD的危害性有多大。地球每秒鐘大概就有100多次閃電,每閃電一次能量就可以提供100w的燈泡供我們用3個(gè)月,在雨季平均每6分鐘就有一個(gè)人被雷電擊中,中國還不是受雷電受害最集中的地區(qū),在非洲這些地區(qū)受雷擊更嚴(yán)重,上海電視塔平均每年要遭受33次大的雷擊,今年4月13日上海電視臺(tái)電子設(shè)備遭受不同程度的雷擊,天線站玻璃鋼都起火了,變成一個(gè)大火球燒起來了。還有一次是1992年在北京國家氣象中心也受到雷擊,損失了2000多萬元。在全世界每年受雷電擊壞的設(shè)備都是以千萬為單位,每年遭受的損失都是上千億。我們現(xiàn)在使用的電子設(shè)備價(jià)格越來越高,對防雷的要求也越來越高。
為什么會(huì)產(chǎn)生雷電?可能大部分人都不知道,我在這里就給大家講解一下雷電是怎么產(chǎn)生的。雷電是由于電磁場產(chǎn)生的,世界上什么電都是通過電磁場反應(yīng)產(chǎn)生的。為什么會(huì)產(chǎn)生雷電呢?因?yàn)樵陔x地球30公里外有一個(gè)電離層,電離層實(shí)際上就是最外的空氣受到太陽光、紫外線照射而產(chǎn)生電離,太陽光實(shí)際上也是一種電磁波,電磁波的作用相當(dāng)于我們把一個(gè)食物放在微波爐里面加熱,原理是差不多的,但是微波的波長線很長,紫外線相當(dāng)短,所以作用不一樣,用微波爐不能把空氣進(jìn)行電離,只有紫外線能夠電離。被電離以后會(huì)分成兩層,一層帶正電,一層帶負(fù)電,與地球相對的一層帶正電,地球就是帶負(fù)電。地球是一個(gè)圓的,帶電的話相當(dāng)于電層強(qiáng)度是散發(fā)性的,越靠近地球電容強(qiáng)度越高,靠近地球表面是100v,也就是說一米高的位置電容強(qiáng)度是100v電容強(qiáng)度就是用這個(gè)來表示,大家在中學(xué)里面很少用電位梯度的概念表達(dá)電容強(qiáng)度,后面我們在工作中還是用電位梯度來表示電容強(qiáng)度是最合適的,比如靈敏度、多少毫伏米都是屬于電感強(qiáng)度。以前是用牛頓的力學(xué)來表達(dá),那個(gè)概念相對來說比較難理解,兩個(gè)帶電物體之間產(chǎn)生多少牛頓力的時(shí)候,換算成單位來表示電容強(qiáng)度,這個(gè)強(qiáng)度不太好理解,如果用電位梯度表示就很方便了。
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由于地球是帶電的,相對電容層來說。一個(gè)物體在地球空間里面就會(huì)受到電場的作用產(chǎn)生極化,什么叫極化?就是說一個(gè)物體原來是不帶電的,現(xiàn)在產(chǎn)生極化帶電,一端帶正電,一端帶負(fù)電。比如說這個(gè)源相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體,如果底下是絕緣的話,上面如果沒有屏蔽,我的上面就帶負(fù)電,下面帶正電,中間這個(gè)地方是不帶電的,人相對來說還是偏中性,但是雖然極化帶電的,但我總得來說還是變中性,帶的正電和負(fù)電都是相等的。如果把原來極化帶電的物體分成兩個(gè),這兩個(gè)都會(huì)帶電。形象地說,一朵云在電場作用下極化帶電,但沒有產(chǎn)品電流,電感強(qiáng)度沒有達(dá)到這么高,如果把它分成兩塊就會(huì)產(chǎn)生電容帶電?,F(xiàn)在由于風(fēng)的作用,把它一吹變成兩塊,中間的地方分成兩塊,有一塊相當(dāng)于帶負(fù)電,有一塊帶正電。這就表示電位曲線,中間這個(gè)地方表示電位反映,上面帶負(fù)電,下面帶正電,這個(gè)幅度越高表示帶電幅度也越高。這個(gè)沒有帶正電,那個(gè)沒有帶負(fù)電,電容性就破壞了,相對來說是帶負(fù)電,這個(gè)帶正電的。云帶電就是因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的。
如果兩個(gè)極化帶電的云配在一起就是兩塊,原來沒有帶電的,只是極化帶電的兩個(gè)合在一起,相當(dāng)于把體積加大,電位加高,相當(dāng)于能量變大了。如果把兩塊帶負(fù)電或者兩塊帶正電的合起來,負(fù)電能量也在增加,正電能量也在增加,兩頭都變成是帶電的。大家注意,電感強(qiáng)度不管帶的定位多高,電感強(qiáng)度還是一樣的,電位梯度都是一樣,斜率也都是一樣的,不管大小,斜率都是一樣的,因?yàn)殡姼袕?qiáng)度是由電子層決定的,所以斜率也是一定的。
如果一個(gè)帶電體之間分開的話,就有一個(gè)大的電位,絕對值相對來說也會(huì)偏高,這就是因?yàn)樵剖艿綐O化帶電以后,分分離離又合合,使得云帶的電越來越高。帶電越來越高以后能量也越來越高,兩個(gè)碰在一起就會(huì)放電,就會(huì)產(chǎn)生雷電,雷電就是這樣產(chǎn)生的。雷電就是因?yàn)樵诘厍虻耐鈬臻g里面存在電場,云又受到風(fēng)的作用,才會(huì)互相分離又互相組合,使帶電物體的電位越來越高,最后形成放電。 還有摩擦帶電也是由于電場產(chǎn)生的,因?yàn)閮煞N不同的物體有接點(diǎn)電位差,電磁也是靠兩種不同物體產(chǎn)生的電位差,最后產(chǎn)生化學(xué)作用,之前電場沒有發(fā)生化學(xué)作用的時(shí)候,兩個(gè)物體靠在一起就會(huì)產(chǎn)生電場作用,就已經(jīng)有了電位差,產(chǎn)生摩擦的話和雷電產(chǎn)生的過程一樣,來回分離又組合,最后產(chǎn)生一個(gè)高的電場。
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舉一個(gè)具體的例子,比如說我現(xiàn)在這個(gè)人站在地上,我是光著腳,地板是導(dǎo)電的,這個(gè)椅子是絕緣的,我從地面一站到椅子上就相當(dāng)于我?guī)щ娏?。為什么?因?yàn)槲以瓉硎菢O化帶電,上面帶負(fù)電,下面帶正電,我站在地上下面就變成零,上面變成了-100v,站上去的時(shí)候相對來說我就變成帶電的人。所以,很多在半導(dǎo)體車間或者和集成電路接觸、打交道的人,不要隨隨便便用人摸集成電路,因?yàn)槟氵@個(gè)人不知不覺就帶電了,你從門外面走進(jìn)房子里很可能就帶電了,在上樓梯或者地板鋪有一層絕緣的東西,在絕緣以外的時(shí)候你不帶電,站上去就帶電了,因?yàn)樯厦嬗须妼印_€有空調(diào)的風(fēng)吹出來的空氣會(huì)和你身體上面的衣服進(jìn)行摩擦、感應(yīng),它容易帶電,用靜電筆來測,隨便碰衣服或頭發(fā),上面帶的電基本上都有300v左右,如果摩擦幾下大概就有4000-5000v,所以靜電感應(yīng)是相當(dāng)厲害的,很多模型電路在送到工廠的時(shí)候就是用盒子包裝,因?yàn)楹凶邮菍?dǎo)電的,如果用電表去量它好像沒有電阻,電阻是無窮大,其實(shí)它是導(dǎo)電的,相對來說電導(dǎo)率很低,也就是電阻很大。
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