靜電 會電死人嗎? 上萬伏特如何測量?

各位應該有以下的經驗，冬天脫毛衣的時候會有劈哩啪啦的 靜電 聲響，關車門的時候會被電到，按電梯門也會被電到，這些都是靜電造成的現象。

此時心中不免有個疑問，靜電會產生火花表示電壓V很高，根據歐姆定律V=IR，電流也應該很高，那靜電會不會電死人? 經驗上似乎沒聽過有人被靜電電死，難道歐姆定律失效了嗎?

靜電的電壓與放電

歐姆定律並沒有失效，差別只在於你對這個公式的了解有多深，一般講V=IR是指直流電，所以電壓V、電流I、電阻R，全都是一個固定的數值。但若要用在靜電分析上面，我們必須要考慮時間，因為靜電放電時的電壓會隨著時間而遞減，如下圖，所以歐姆定律要寫成帶有時間參數的形式\(V(t)=I(t)\times R\)。

為何靜電的電壓會在放電過程中遞減? 因為人體有電容效應，因此靜電放電時的電壓變化與電容的放電行為相同，它會呈現指數下降的趨勢。那人體的電容是多少? 每個人不一樣，所以需要定義一個標準作為產品規格的依據，MIL-STD-883E 規範內的Method 3015定義人體放電模型HBM的電容為100pF。

我在上圖中還特別在 \(V_{0}\) 的位置畫了一條切線，這條線與x軸的交會處就是所謂的時間常數\(\tau\)(Time constant)，在學術上我們會拿 \(\tau\) 來比較電容放電的時間長短，但是在實務上我通常會直接把曲線測試出來看下降程度，這樣一翻兩瞪眼，反正我只要能確認哪顆電容比較適合，能買得到就可以了。

會讓你感到刺痛的就是最高的那個初始電壓\(V_{0}\)，它會高到KV等級足以產生火花Spike或稱為電弧Arc，為什麼呢? 我們來看下面這個公式。

Q=C*V

Q:電荷，單位庫倫 Coulomb
C: 電容，單位法拉Farad
V: 電壓，單位伏特Voltage

這個公式原本來自於電容的定義C=Q/V，描述單位電壓可以拉住多少電荷。雖然在數學上只要恆等式成立，可以任意移項，例如Q=CV、C=Q/V、V=Q/C數學上都一樣，但在物理意義上，則有先來後到的因果關係在，數學在這裡只是工具而已，說明如下。

以往我們對電容充電，都是利用電壓充電，所以電容器都有耐壓，例如220uF/16V之類，因此電容與電壓是因，電荷的總量是果。

但是生活中的靜電，它是透過摩擦/分離，直接產生電荷放進電容器，例如你穿著橡膠鞋走過羊毛地毯，身體就直接累積了大量的電荷，所以電荷是因，電壓是果，由於日常物品的對地電容通常很小，大約是幾十個pico法拉等級，所以電壓當然就會竄升到KV等級。

再舉個例子，飛機在三萬英呎高空，對地電容很低，與空氣相對速度又高，合理推斷對地電壓可能會到百萬伏特，但從來也沒辦法測量，我只能在這裡打嘴砲。飛機一旦降落觸地，電容變大，電壓變小，說變小可能都還有1萬伏特，總電荷量還是很可觀，所以飛機加油的時候需要先接地排除靜電再加油，否則會產生火花非常危險。

靜電放電-動手做實驗

講了那麼多，實際上物體摩擦之後到底帶了多少靜電電壓? 我們就來做實驗吧，我不會去測量車身的電壓，那太麻煩。我只會在室內利用簡單的土炮材料模擬靜電放電，而且由於靜電壓很高，會超過示波器的上限，因此我們還需要稍微設計一下實驗的環境。

實驗設計

如下圖，我打算利用塑膠片與自己的衣服摩擦產生靜電，然後將電荷放到自製的C1電容內，接著就可以利用SW1將電容與電阻R1做短路產生放電並用示波器觀察。

既然是要觀察C1的放電電壓，為何要將示波器探棒放在R1與R6之間，而不是直接放在R1的上方接點RED? 因為示波器搭配10X探棒的檔位最高只到50V/DIV，整個螢幕上下橫跨8格總共也才50*8=400V，而靜電電壓動不動就上千伏特，隨便都破表，所以我們需要做點加工。

分壓器Voltage Divider

為了觀察完整的靜電高壓，我們需要做分壓，也就是接線圖中的R1與R6。我這裡選擇的是1/1000比例的分壓，接下來的問題是，要選用多少阻值的電阻來搭配? 大家可以思考一下，下列三種組合，哪一種比較適合?

• 10M:10K
• 1M:1K
• 100K:100

我自己會選擇第一組，原因是它的總電阻最大，所以C1放電較慢，示波器較容易抓到漂亮的波形，說它放電慢那也大約只是500ns左右的事情。如果選擇100K:100，放電速度更快，可能只有幾個ns就放電結束了，這樣我會擔心普通的示波器取樣率沒辦法達到這個速度，可能會錯過電壓的最高峰而抓不到波形，下圖就是我做的分壓器。

實體接線

實際的接線如下圖，我找了一個全金屬的裝置來當作C1電容的其中一個電極，又找了機殼的一片鋁板來當作另一個電極，所以這個電容完全就是Home made純手工製作的概念。分壓器的黃色線我後來剪掉了，因為我發現其實黑線的GND就夠用。

金屬方塊與鋁板中間需要用一個塑膠袋隔起來，因為靜電電壓很高，只有塑膠才能有良好的絕緣，你才看得到高壓的波形。我試過紙張當介電質，靜電一放上去馬上就穿過紙張到達鋁板，也就是電容漏電的意思，結果示波器會甚麼都看不到。

照片中的筆黏了紅色的導線，那就是擔任與電容接觸的開關SW1的角色，因為導線很軟我才將它黏在筆上比較好拿。要放電時就拿起筆來，把紅色電線與金屬裝置觸碰一下就行了。

靜電怎麼放上去?

接下來有個很重要的動作，就是要把靜電放進C1電容，我沒有靜電槍，也沒有高壓線圈，大家猜猜看我是怎麼把電荷放進去的?

講到這裡我先拿出兩個塑膠文件夾給各位看看，志玲姊姊放第一個給大家賞心悅目一下，大家猜到了嗎? 我是利用摩擦產生靜電，再利用電荷感應將電荷轉移到金屬裝置上，這個招數在驗電器Electroscope上很常用。

實際做法就是我先拿文件夾摩擦自己的衣服，此時文件夾會帶負電荷，人造纖維的衣服尤其更好更容易產生靜電，有著滿滿靜電的文件夾要怎麼讓電容帶電呢?

首先把剛摩擦完的負電荷文件夾靠近金屬方塊的一端，於是金屬上的正電荷會靠近文件夾，負電荷會因為排斥而跑到金屬方塊的另一端，接著用手指輕輕碰一下金屬方塊的另一端，這動作等同於接地，於是負電荷便會瞬間流到大地，但正電荷仍然被文件夾的負電吸引著。接著把手指移開，再把資料夾移開，如此一來金屬裝置就全部是正電荷了，很簡單吧。

奇怪的是我這兩個資料夾，志玲姊姊很不買帳，怎麼摩擦都不起電，連紙屑都吸不起來，我也不知道原因， 也許跟志玲姊姊已經嫁人了有關係吧 ；而另一款資料夾，輕輕鬆鬆就摩擦起電，讓我寒毛直豎，也能吸紙屑，所以我用這個資料夾來起電。

靜電放電波形

由於我用的電壓探棒是10X的形式，所以照理說示波器應該要設定10X，但我還另外用了1/1000倍的分壓器，為了方便顯示電容的電壓，我需要在示波器的顯示刻度上乘以10*1000=10000，因此示波器的探棒倍數需要設定為10000 倍。

下圖就是放電之後抓到的電壓，右邊CH1框起來的倍數可是1萬倍啊! 我用示波器這麼久還是頭一次開到1萬倍這麼高。就在幾個ns之內，電壓衝到1.3萬伏特，真的是很驚人啊!

有人可能很快就發現，這波型怎麼跟我前面畫的不一樣，它怎麼看都不像是指數遞減啊! 是的，因為這是純手工土炮的放電裝置，是以手動接觸電容作放電，因此SW1在接觸瞬間並非完美的OFF變成ON，它實際上有很多微小的OFF/ON交替，我們稱為彈跳現象Bounce。

如果你把時間放大一些你就會看到有好幾次的彈跳現象，每一次都是呈現指數狀態遞減，電壓峰值也越來越低。如果你的手勢夠好，電線接觸的瞬間幾乎沒有bounce，那你就有機會看到一根完美的指數型下降波形。

ESD靜電放電的損害

你可以發現這些放電現象都在很短時間內就結束了，雖然它的電壓高，但是由於時間很短所以總能量很低。但是在放電的瞬間，高電壓仍然有可能產生很大的電流，這些電流幾乎都是安培等級的大小，即便這些電流只能維持50ns還是能讓你的手指很有感覺。我這個土炮實驗能量太小，只能給你看看趨勢，手指去碰C1電容的話不會有任何感覺。

如果一般的靜電會讓手指很有感覺，一般的IC半導體元件當然就更敏感了，在IC搬運過程中很可能有人會直接用手把IC拿起來看一看，就把IC打壞了而不自知，所以IC的包裝才會用所謂的導電材料，這種導電材料並不是一般講的導體，它的阻抗通常是Mega級的，但只要能讓靜電消散，就稱為導電材料。

通常IC本身會有一定的靜電放電ElectroStatic Discharge(ESD)保護措施，所以Datasheet上也會標示它能夠忍受的靜電電壓，下圖是摘自德州儀器網站上的邏輯閘SN74LS00的資料，針對不同形式的放電有不同耐受程度。簡單說HBM是人體去電IC，CDM是IC自己去電其他物品，當然IC本身也會受傷。

靜電會不會電死人?

那靜電會電死人嗎? 會，最極端的例子就是自然界的閃電，被打到真的不死也半條命。因為天空的烏雲與大地的量體實在是太大了，累積的電荷自然非常的巨大。

另外全世界最大的離地運輸工具-飛機，也是很大的靜電來源，因此飛機加油之前都需要先接地以免產生火花，也可以避免人員觸電傷亡，。

一般在家庭與辦公室所產生的靜電，只會讓你感到刺痛，還不至於有生命危險，所以不用太過擔心，若在特殊工作場合例如工廠與加油站，則必須要謹慎面對靜電問題。

簡便量測-驗電器Electroscope

其實還有更簡單的方式可以測試靜電，就是驗電器Electroscope。它是由金屬電極連接下方的兩片銅箔而組成，若有大量靜電存在，銅箔會產生感應電荷，因同性相斥而分開。這是免錢而且有效的方式，剛剛的示波器法，你測量完那靜電也幾乎放電完了，若改用驗電器可以維持現場原狀，不會破壞現場，這對於需要找人負責的場合是很有用的。關於驗電器的使用請看這篇抗靜電 包裝袋-甚麼原理? 開車門不用怕靜電。

還有另一種驗電器看起來很像時鐘，原理一樣，它有兩根金屬棒彼此接觸，一個是固定的，另一個可以旋轉，而且旋轉中心略為偏上方，所以下方金屬棒較長，會自然垂下，若有感應電荷發生，金屬棒就會旋轉，到時候就看角度可以比大小。

被忽略的小媳婦-靜電防護

由於靜電飄忽不定，看不到也摸不到，常常被很多人忽略，例如接地線看起來有拉，實際上可能斷在某個地方卻沒人發現，直到產品出問題才回頭找原因。

有時也常常被當作其他問題的藉口，我遇過明明是機器漏電而觸電，對方卻硬要跟我說這是靜電，唉~最好是靜電的電壓可以一直維持60幾伏特啦!

靜電最大的問題並不是它會不會電死人，而是它產生的火花可能引發爆炸，例如爆竹工廠、粉塵多的工廠、加油站，都有可能因為靜電產生火花，因而引燃粉塵與油氣造成傷亡，因此需要非常謹慎的處理。

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