本当に迷惑だ！冬には静電気が発生します。誰かこれについて何かできる人はいませんか？

ドアを開けて金属製の取っ手に衝撃を受けてびっくりしました…

夜にセーターを脱ぐと、火花と稲妻が飛び散ります...

猫を撫でるだけでもパチパチ音がします…

私たちの古い友人、静電気の季節がまたやってきました。静電気といえば、まず2つのことが思い浮かびます。1つは摩擦による帯電、もう1つは静電気がとても厄介だということです。

しかし、静電気は実際には単なる摩擦帯電以上のものです。状況によっては、静電気によって引き起こされる害は、単に不快なだけではありません。しかし、適切に使用すれば、静電気は人類に役立つことができます。以下で詳しく説明します。

摩擦帯電は単純ではない

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私たちの日常生活で最も一般的な静電気は摩擦帯電であり、これは私たちを最も苦しめるものでもあります。握手のパチパチという音から稲妻の轟音まで、すべてはそれのおかげです。

歴史的に、これは人類が気づき記録した最も初期の電気現象の 1 つです。ギリシャ語で、ἤλεκτρον (エレクトロンと発音) は琥珀の同義語であり、琥珀は帯電しやすく埃をかきやすいことが、紀元前 6 世紀に古代ギリシャの哲学者タレスによって記録されています。

摩擦帯電はよく知られていますが、その動作は非常に不安定で、原因が複雑かつ多様であるため、科学者はこの現象を完全には理解していません。たとえば、私たちが学校で受けた一般的な印象は、より多くの電子をつかむことができる人はマイナスに帯電するというものでした。材料だけを考えれば、電子機器を奪い合うゲームで勝利する究極のボスが存在するはずだ。

しかし、現実には、一部の材料では、摩擦帯電によって電子をつかむ競争は、強い者がすべてを手に入れるゲームではありません。それはじゃんけんをするようなものです。最初は、絹は紙に負け、紙は綿に負け、綿はガラスに負け、ガラスは亜鉛に負け、亜鉛は絹に負けます。

材料の特性が必ずしも唯一の要因ではないことがわかります。研究の結果、現在認識されている影響要因には、材料自体の特性、表面の構造と方向、局所的な粗さ、摩擦の強さ、環境湿度などがあります。

静電気は摩擦によってのみ発生するのではない

摩擦によって静電気が発生しますが、摩擦だけでは静電気は発生しません。静電気のもう 1 つのタイプは圧電性であり、石英やトルマリン (トルマリンとも呼ばれる) に代表されます。

圧電性の原理とは何ですか?不正確な例えですが、バスのようなものです。乗客が少ないときは、人々は四方八方を向いて立ちます。バスがどんどん混んでくると、誰もが無意識のうちに一方向に立つようになります。片側から見るとすべてが正面図であり、反対側から見るとすべてが背面図です。この現象は分極と呼ばれ、圧電材料の一方の端に正電荷が現れ、もう一方の端に負電荷が現れます。熱は結晶格子に応力を引き起こすこともあるため、一部の圧電材料には焦電効果もあります。

宇宙で発生しやすい別の種類の静電気があります。太陽光に含まれる高エネルギーの紫外線とX線が物体に当たると、電子が追い出され、その代わりに正電荷の層が残ります。たとえば、月の表面では、乾燥した細かい土の粒子はすべて正電荷を帯びており、互いに反発し合います。これらは地面から上昇し、数メートルの高さに浮かび、月の塵の「大気」（ガスではない）の層を形成します。月の塵は異物に遭遇すると、簡単に吸着されてしまいます。

発泡プラスチックの包装を開封したことがある読者なら、このことをきっと深く理解しているはずです。静電気で浮遊する月の塵は月探査機器にとって大きな脅威となります。私たちの最初の玉兔探査車は、月面に着陸して1か月以上経ったばかり（月面での2日目）に、おそらく月面の塵が内部に入り込んだことが原因で、電力の問題が発生しました。アポロ月面車が巻き上げた塵が長期間残り、地上スタジオの影響ではないという事実にも、同じ原理が当てはまります。

ユツ月探査機（ウィキペディアより）

静電気はどれくらい有害ですか?

静電気のほとんどは有害で迷惑なものです。静電気の原因はさまざまですが、やはりメインテーマは「静電気」という言葉です。電荷が発生しても流れないと、電荷が蓄積して災害を引き起こす可能性があります。

北部の冬は家は暖房が効いていて、環境は乾燥しています。加湿器を使わないと（あまり効果はないかもしれませんが）、歩いたり着替えたりするときに発生した静電気は逃げにくく、体の表面に溜まって発散する機会を待ちます。通常、指が麻痺する小さな火花のように、電圧は数万ボルトに達することがあります。この数字は恐ろしく聞こえますが、その背後にある物理学は次のとおりです。

電荷 = 静電容量 × 電圧

静電容量と電圧は反比例しており、一方が小さいほどもう一方は大きくなることがわかります。私たちが握手するとき、私たちの手の間には非常に小さな静電容量があるため、空気を突き破って私たちを震わせる小さなアークを形成する高電圧を生成するには、わずかな電荷しか必要ありません。しかし、恐れる必要はありません。本当に致命的なのは電圧ではなく電流です。日常生活における静電気の電荷は極めて小さいため、電流も非常に弱く、死や障害を引き起こすことはありません。

しかし、空気を貫通できるこの小さな電気アークが危険な状況に置かれると、災害を引き起こす可能性があるため、誰もが注意する必要があります。例えば、タンクローリーに油が満タンに充填されていない場合、タンク内で油が揺れることで摩擦帯電し、爆発を引き起こす可能性があります。初期のタンクローリーには、静電気を適時に地面に逃がすために、車両の後部に地面まで垂れ下がる鉄のチェーンが装備されていました。

今日の静電気防止対策はより多く、より信頼性が高くなっています。鉄のチェーンは導電性ゴムに置き換えられ、断続的な接触や火花なしに常に地面に押し付けられるようになっています。タイヤ素材にも導電性ゴムを採用。オイルタンク内にオイルセパレーターを設置し、オイルの衝撃や振動を軽減します。

ガソリンスタンドでは、オイルの積み下ろしから給油前の放電など、車のオーナーが給油するまで静電気防止の対策が数多く行われています。また、製粉工場など粉塵が深刻な業種もあります。静電気はひどい粉塵爆発を引き起こし、小麦粉の正常な生産に影響を及ぼす可能性があるため、直火だけでなく静電気も厳重に防止する必要があります。

自分でコンピューターを組み立てるのが好きな人なら、このことをよく知っています。コンピューターのマザーボードやメモリチップに素手で触れると、マシンが「レンガ」になってしまう可能性があります。理由は上記の式と同じです。静電気によって発生する高電圧によりチップが破壊されます。そのため、メーカーから送られる電子機器は通常、静電気をゆっくり放出または伝導できる袋で包まれています。

これらの装置を分解または組み立てる場合も、最初に壁に触れたり、もう一方の手で大型機械の金属ケースを保持したりする必要があります。回路修理を専門とする熟練工は、常にテーブルの上に接地された導電性ゴム片を置き、手首に導電性の「手錠」を装着しています。

電子機器の帯電防止包装（筆者撮影）

電子機器生産の上流工程である半導体産業では、静電気は大きな脅威です。工場内で着用する清潔な衣服は、フケが落ちないように全身を覆うだけでなく、衣服に導電性フィラメントを織り込み、靴底にカーボン導電性ゴムを混ぜ込んでいます。作業場外の「グレーエリア」を歩くときも、静電気防止スリッパを着用する必要があります。

私は何年もこのタイプのスリッパを履いています。柔らかくて硬く、耐久性も十分です。理論的には、家にセットがあれば、猫を楽しく撫でることができます。しかし！このスリッパを履くと感電の危険性が大幅に高まります。（なぜかは読者の皆さんの考えにお任せします）長所と短所を比較検討し、パチパチという音を我慢することにしましょう。

よく飛ぶ友達は、翼に鋭いトゲがたくさんあることに気づくかもしれません。通信アンテナではなく、電力を増強することもできませんが、静電気を除去するために使用され、静電気防止ブラシと呼ばれています。航空機と空気の高速摩擦により静電気は必然的に発生しますが、タンクローリーのようなモップ掛け設備を使うのは不可能です。そのため、尖った部分では静電気は空気中に放出されるという原理に基づいて、このような小さなスパイクが取り付けられています。

日常生活で経験できる最も大規模な静電放電現象はおそらく雷ですが、このトピックは広範すぎるため詳しく説明することはできません。

静電気を有効活用する

静電気のほとんどは有害で役に立たないものですが、適切に誘導され、私たちの意志に従って動作するようにすれば、価値を生み出すことができます。

静電気の最も効果的な使用例は、おそらくコピー機でしょう。まず半導体に静電気を充満させ、次に文字がないはずの場所に光で光を当て、ここの半導体を導体に変えてここの静電気を除去し、光が当たらない静電気領域に炭素粉末を吸着させる。

大量の電荷を設計した位置に導入して閉じ込め、強力な電界を形成することで、荷電粒子を加速し、基礎物理学や多くの関連分野を研究することができます。この静電加速器はサイクロトロンに比べてコストが低く、設置面積も小さいため、世界中で広く使用されています。

静電加速器（Wikipediaより）

圧電効果によって発生した静電気を流すことで水晶振動子を作ることができます。これはクオーツ時計の核となる部品であり、人々の生活に大きな利便性をもたらしました（しかし、携帯電話の普及により、時計は単なる衣服のように思えます）。

スプレー業界では、静電反発の原理を利用して液滴を均一に分散させることができます。噴霧対象に近づくと静電気により吸着されます。このシーンは実は非常によく似ています。これは、月の塵が月面車を破壊したのと基本的に同じ原理ですが、適切な場所で使用すると効果が異なります。

したがって、理解が深まれば敵を味方に変えることができるというのは、反駁できない真実であるように思われます。

この記事は科学普及中国-星空プロジェクトの作品です

制作：中国科学技術協会科学普及部

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