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。

靜電 放電的接線圖
靜電放電的接線圖

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。

分壓器-將靜電高壓降低的裝置
分壓器-將靜電高壓降低的裝置

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。

靜電 放電實驗的實體接線圖
靜電放電實驗的實體接線圖

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。

利用塑膠文件夾產生 靜電
利用塑膠文件夾產生靜電

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1000,這樣我就不需要再手動計算一次,因此探棒的倍數需要設定為10*1000=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!

靜電 放電的波形
靜電 放電的波形

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。

手動接觸造成的彈跳現象
手動接觸造成的彈跳現象

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

驗電器 Electroscope
驗電器 Electroscope

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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SN74LS00 Datasheet
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3 Comments

  1. 您好,這篇文章非精彩,我有幾點想要請教的問題是:

    我依照文章內容設置了一套分壓的裝置,電阻是1K:1M的配置。我發現,在將量測設備裝好後,我啟動靜電槍,靜電會從接地端回流到示波器,也就是,我的Contact Point即使沒有接到測試設備,也會有相當大的靜電波型被量測到。

    而且我發現,我觀察到的量測值,我發現竟然電壓衰減只有1/100。請問我是哪一個部分的細節沒有注意到呢? 還是說有接地獨立的問題之類的?

    我的示波器型號跟文章裡面同系列,但是是 2-Channel的型號。

    • 我沒有使用過ESD gun, 只能就我理解的跟您分享
      一般使用ESD gun的環境都會接上一個很大的金屬地板Ground Reference Plane, 目的就是要控制靜電槍的回流電流, 回流路徑若只靠電源接地線, 電荷散不開, 全都會往最近的電器衝
      如果只是拿靜電槍來玩玩, 靜電放電瞬間確實會透過地線影響儀器或電路
      至於衰減只有1/100 我沒看懂您是指哪裡到哪裡的衰減

      • 確實,我所在的環境是有一個很大的接地金屬板。 那我想我得再處理我儀器接地的部分。

        至於衰減只剩下1/100,這個現象起初是我發現在示波器上的讀值和靜電槍的輸出比較之後,在示波器上探棒衰減選項必須設定到100:1才是正確的讀值(代表衰減量不夠)。後來發現是因為量測點與示波器探棒接地迴路的路徑過長,導致訊號有被「放大」的情形,縮短接地路徑後,此現象已經消除。

        謝謝您的回覆。

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