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陶老師ESD、EMI、EMC講座(1)——靜電的產(chǎn)生
發(fā)布時間:2010-07-15 來源:電子元件技術網(wǎng)
大家下午好!上次我已經(jīng)給大家做過一次報告了,見過了很多老朋友,我想這一次有很多新朋友。大家對這個題目相當感興趣,剛才在下面我也與大家討論過,電磁場的理論現(xiàn)在是全世界的科學家都在關注的問題,也是一個最基礎的物理理論,去年在歐洲已經(jīng)進行了一個全世界最大的量子力學研究中心,最早我們在八幾年,鄧小平剛剛上臺的時候,在北大到八寶山也建了一個這樣的研究中心,加速器的軌道一般都要幾十公里,把力學壓縮以后進行觀察、碰撞產(chǎn)生的結果?,F(xiàn)在電磁場理論實際上就是量子力學里面的部分,今天我們討論的所謂的電都是與電磁場有關系,無論是靜電還是電磁感應,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,這個場人們還沒有辦法解決,就用場把這個概念掩蓋住。比如說電動機怎么轉動,電子和轉子根本沒有接觸,因為里面存在場,有了電磁場的存在就轉動,這個場是什么現(xiàn)在還不清楚。電磁感應也是一樣,就像心靈感應一樣,你想想心靈感應,我想什么東西,你想什么東西,互相能夠知道嗎?這也是一個類似的概念,電磁感應現(xiàn)在沒有完全解決。我今天不講這么多了,因為上次講了一部分,有一些新概念引進來,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,磁場感應與干擾,電子線路中的電磁干擾,傳導干擾、電磁輻射原理,還有對EMI進行測試,什么是EMC?EMC就是電磁兼容,雷電和EMI的防護,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)容估計在書上找不到,因為這些都是我?guī)资陙淼墓ぷ鹘?jīng)驗總結。我做這個技術已經(jīng)做了四十多年,我從十幾歲就開始接觸電,是一個愛好者。后來我到了一個軍工廠從事雷達、識別器和雷達干擾機,這些東西都是比較尖端的國防工業(yè)技術。后來回來以后組建了康佳技術開發(fā)中心,一輩子都是做技術的,所以在技術工作的過程中積累了不少經(jīng)驗。我現(xiàn)在已經(jīng)退休了,所以我想能夠利用這個機會,很高興把我所知道的技術和經(jīng)驗介紹給大家。
先初步認識一下什么是雷電。這是迪拜的世界上最高的塔遭雷劈所拍的照片,這個塔是800多米,是全世界最高的塔。按照這個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)生火災也是因為雷電產(chǎn)生的。這是遭雷電劈的電視機,這是遭雷電擊壞的電腦設備,每年我們國家大概都有幾百萬臺電子設備遭雷擊損壞。
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個月,在雨季平均每6分鐘就有一個人被雷電擊中,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日上海電視臺電子設備遭受不同程度的雷擊,天線站玻璃鋼都起火了,變成一個大火球燒起來了。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)在使用的電子設備價格越來越高,對防雷的要求也越來越高。
為什么會產(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產(chǎn)生的。為什么會產(chǎn)生雷電呢?因為在離地球30公里外有一個電離層,電離層實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,太陽光實際上也是一種電磁波,電磁波的作用相當于我們把一個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,紫外線相當短,所以作用不一樣,用微波爐不能把空氣進行電離,只有紫外線能夠電離。被電離以后會分成兩層,一層帶正電,一層帶負電,與地球相對的一層帶正電,地球就是帶負電。地球是一個圓的,帶電的話相當于電層強度是散發(fā)性的,越靠近地球電容強度越高,靠近地球表面是100v,也就是說一米高的位置電容強度是100v電容強度就是用這個來表示,大家在中學里面很少用電位梯度的概念表達電容強度,后面我們在工作中還是用電位梯度來表示電容強度是最合適的,比如靈敏度、多少毫伏米都是屬于電感強度。以前是用牛頓的力學來表達,那個概念相對來說比較難理解,兩個帶電物體之間產(chǎn)生多少牛頓力的時候,換算成單位來表示電容強度,這個強度不太好理解,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。一個物體在地球空間里面就會受到電場的作用產(chǎn)生極化,什么叫極化?就是說一個物體原來是不帶電的,現(xiàn)在產(chǎn)生極化帶電,一端帶正電,一端帶負電。比如說這個源相當于一個導體,如果底下是絕緣的話,上面如果沒有屏蔽,我的上面就帶負電,下面帶正電,中間這個地方是不帶電的,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,帶的正電和負電都是相等的。如果把原來極化帶電的物體分成兩個,這兩個都會帶電。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,電感強度沒有達到這么高,如果把它分成兩塊就會產(chǎn)生電容帶電。現(xiàn)在由于風的作用,把它一吹變成兩塊,中間的地方分成兩塊,有一塊相當于帶負電,有一塊帶正電。這就表示電位曲線,中間這個地方表示電位反映,上面帶負電,下面帶正電,這個幅度越高表示帶電幅度也越高。這個沒有帶正電,那個沒有帶負電,電容性就破壞了,相對來說是帶負電,這個帶正電的。云帶電就是因為這樣產(chǎn)生的。
如果兩個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合在一起,相當于把體積加大,電位加高,相當于能量變大了。如果把兩塊帶負電或者兩塊帶正電的合起來,負電能量也在增加,正電能量也在增加,兩頭都變成是帶電的。大家注意,電感強度不管帶的定位多高,電感強度還是一樣的,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,因為電感強度是由電子層決定的,所以斜率也是一定的。
如果一個帶電體之間分開的話,就有一個大的電位,絕對值相對來說也會偏高,這就是因為云受到極化帶電以后,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,兩個碰在一起就會放電,就會產(chǎn)生雷電,雷電就是這樣產(chǎn)生的。雷電就是因為在地球的外圍空間里面存在電場,云又受到風的作用,才會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,因為兩種不同的物體有接點電位差,電磁也是靠兩種不同物體產(chǎn)生的電位差,最后產(chǎn)生化學作用,之前電場沒有發(fā)生化學作用的時候,兩個物體靠在一起就會產(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)生一個高的電場。
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舉一個具體的例子,比如說我現(xiàn)在這個人站在地上,我是光著腳,地板是導電的,這個椅子是絕緣的,我從地面一站到椅子上就相當于我?guī)щ娏?。為什么?因為我原來是極化帶電,上面帶負電,下面帶正電,我站在地上下面就變成零,上面變成了-100v,站上去的時候相對來說我就變成帶電的人。所以,很多在半導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,因為你這個人不知不覺就帶電了,你從門外面走進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,在絕緣以外的時候你不帶電,站上去就帶電了,因為上面有電層。還有空調的風吹出來的空氣會和你身體上面的衣服進行摩擦、感應,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,所以靜電感應是相當厲害的,很多模型電路在送到工廠的時候就是用盒子包裝,因為盒子是導電的,如果用電表去量它好像沒有電阻,電阻是無窮大,其實它是導電的,相對來說電導率很低,也就是電阻很大。
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