為什么頭發(fā)會(huì)豎起來(lái)？

       下圖中的小孩用手摸著一個(gè)帶電體，她的頭發(fā)豎起來(lái)了。這是怎么回事？“這是靜電現(xiàn)象”，很多人能脫口回答。生活中我們能看到很多類似的靜電現(xiàn)象，比如在干燥的冬天有時(shí)就會(huì)看到手指和金屬物品之間有電火花。那么，什么是靜電現(xiàn)象？它是怎么發(fā)生的？

（圖片來(lái)源：http://www./article/230815-Can-Tsunamis-Create-Static-Electricity）

       我們的世界由原子組成，原子里原子核攜帶正電荷，電子攜帶負(fù)電荷。一個(gè)物體雖然擁有大量的電子，但正常情況下整體呈電中性。如果原子失去或獲得一些 電子，就成為攜帶正電荷或負(fù)電荷的離子，物體就可以攜帶上凈正電荷或者凈負(fù)電荷，我們稱它們?yōu)閹д娀蛘邘ж?fù)電。從中小學(xué)課本上我們知道，一些物體之間的 摩擦就可以改變電荷的分布，比如用玻璃摩擦樹(shù)脂，玻璃會(huì)帶上正電，樹(shù)脂也會(huì)帶上等量的負(fù)電。

       物體所攜帶的凈電荷突然釋放，這個(gè)過(guò)程稱為靜電放電，通俗的說(shuō)法叫做靜電。人體由于可能攜帶凈電荷，所以有時(shí)候就會(huì)有靜電放電發(fā)生。

       電荷分正、負(fù)，同號(hào)電荷會(huì)互相排斥。當(dāng)人體積累起凈電荷時(shí)，同號(hào)的電荷會(huì)盡量互相遠(yuǎn)離，均勻分布在人體的表面。如果電荷間的斥力能讓電荷間平均距離 增大，帶電體將更穩(wěn)定。平時(shí)，頭發(fā)因?yàn)橹亓ψ饔觅N住頭皮，但如果人體表面電荷重新分布的能量改變大于頭發(fā)豎起的重力勢(shì)能，頭發(fā)便會(huì)向上豎起。那么，上圖中 的小孩怎么沒(méi)有因?yàn)殪o電作用而雙手都向上舉起呢？因?yàn)楦觳蔡饋?lái)的勢(shì)能遠(yuǎn)大于頭發(fā)豎起來(lái)的勢(shì)能，電荷斥力太小不足以讓雙臂張開(kāi)。

       這里我們提到電荷分布在表面，而不分布在體內(nèi)，這是因?yàn)槿梭w內(nèi)有大量的液體和電解質(zhì)，人體被作為一個(gè)導(dǎo)體近似處理。電場(chǎng)是傳遞電荷相互作用的物理 場(chǎng)，它對(duì)電荷作用力的大小表示為電場(chǎng)強(qiáng)度。導(dǎo)體內(nèi)部的電荷會(huì)向表面移動(dòng)，直到電荷分布產(chǎn)生的電場(chǎng)與外界電場(chǎng)互相抵消，這時(shí)候?qū)w內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為0。高斯 定理規(guī)定，電場(chǎng)強(qiáng)度在封閉曲面上的面積分與曲面內(nèi)電荷量有關(guān)；因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，所以電荷處處為零。換句話說(shuō)，導(dǎo)體內(nèi)部電荷為零，電荷只出現(xiàn) 在導(dǎo)體表面，只有面電荷分布。

       如何衡量靜電大??？

       如果把人體作為一個(gè)孤立導(dǎo)體，它存儲(chǔ)電荷的能力稱為電容，導(dǎo)體會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)電荷而存在電壓。電壓是兩點(diǎn)間的電勢(shì)差，如果是人體，這里指人體和大地的電 勢(shì)差。孤立導(dǎo)體的電容很小，商業(yè)化的電容器件單位最多只以國(guó)際單位法拉的千分之一或者百萬(wàn)分之一表示，即使是地球，簡(jiǎn)單地當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體球近似也不過(guò)是7E- 4法拉，如果在地球這個(gè)孤立導(dǎo)體上存儲(chǔ)1伏的電壓（這時(shí)候參考無(wú)窮遠(yuǎn)處為電壓零點(diǎn)），地球的靜電能也不過(guò)是3.5E-4焦耳。

       化學(xué)方法存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于孤立導(dǎo)體能存儲(chǔ)的靜電能。1克蛋白質(zhì)就可以提供4000卡路里，而1卡路里等于4.18焦耳。因?yàn)榭防镒鳛槿梭w能量攝 入單位過(guò)小，通常用大卡表示食物能量；1大卡等于1000卡路里，但是大卡和“小卡”都可能被人們簡(jiǎn)稱為“卡”，需要根據(jù)上下文分辨。

       靜電大小適合用電壓來(lái)衡量。由于孤立導(dǎo)體的電容非常小，能存儲(chǔ)的能量非常小，所以日常活動(dòng)，如走動(dòng)摩擦地毯、活動(dòng)身體摩擦毛衣，所引起的電荷積累可 以讓人體積累非常高的電壓，比如到2萬(wàn)伏，引起靜電現(xiàn)象。雖然2萬(wàn)伏比市電的220V高約百倍，但是這2萬(wàn)伏的高壓對(duì)應(yīng)的能量很小，一般不會(huì)傷害人。

       為什么會(huì)有電火花？

       放電現(xiàn)象我們并不陌生，雷雨天的閃電跟生活中的靜電放電沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。天空里閃電發(fā)生前，電荷被積累于云中；生活里靜電發(fā)生前，電荷被積累于人體 中。放電產(chǎn)生的電火花，其實(shí)就是空氣中電荷通過(guò)的途徑。被擊穿區(qū)域的空氣會(huì)變熱，人體放電產(chǎn)生的熱量可以用人體積攢的電能估算，與人體這個(gè)電容有關(guān)，也與 靜電電壓大小有關(guān)。正常情況下，空氣是非常好的絕緣體，可是當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到大約4–30千伏/厘米大小時(shí)，空氣就會(huì)被擊穿。這里的擊穿指電場(chǎng)強(qiáng)度太大，絕 緣體短暫變?yōu)閷?dǎo)體。4–30千伏/厘米的電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于我們把市電的火線、零線靠到距離0.5毫米以內(nèi)，生活中插座的正負(fù)極之間不會(huì)那么近，所以不會(huì)產(chǎn)生 放電現(xiàn)象。

（圖片來(lái)源：http://www./science/static_sparks.htm#.UyFqyYWvB9s）

       靜電不僅干擾生活，還可能引發(fā)安全隱患。諸如可能影響手機(jī)和電腦工作，在有可燃?xì)怏w的情況下甚至可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸。