陶老师ESD、EMI、EMC讲座(1)——静电的产生
发布时间:2010-07-15 来源:电子元件技术网
大家下午好!上次我已经给大家做过一次报告了,见过了很多老朋友,我想这一次有很多新朋友。大家对这个题目相当感兴趣,刚才在下面我也与大家讨论过,电磁场的理论现在是全世界的科学家都在关注的问题,也是一个最基础的物理理论,去年在欧洲已经进行了一个全世界最大的量子力学研究中心,最早我们在八几年,邓小平刚刚上台的时候,在北大到八宝山也建了一个这样的研究中心,加速器的轨道一般都要几十公里,把力学压缩以后进行观察、碰撞产生的结果。现在电磁场理论实际上就是量子力学里面的部分,今天我们讨论的所谓的电都是与电磁场有关系,无论是静电还是电磁感应,都是现在很多没有完全解决的问题,特别是带着有场的东西,里面有着一些简单的概念,这个场人们还没有办法解决,就用场把这个概念掩盖住。比如说电动机怎么转动,电子和转子根本没有接触,因为里面存在场,有了电磁场的存在就转动,这个场是什么现在还不清楚。电磁感应也是一样,就像心灵感应一样,你想想心灵感应,我想什么东西,你想什么东西,互相能够知道吗?这也是一个类似的概念,电磁感应现在没有完全解决。我今天不讲这么多了,因为上次讲了一部分,有一些新概念引进来,我们先把雷电的产生过程与大家介绍一下。
今天讲的内容大概就是这些,雷电的产生,ESD与雷电,ESD就是静电放电;电磁感应与EMI,EMI就是电磁干扰,静电的产生,带电物体的电容,磁场感应与干扰,电子线路中的电磁干扰,传导干扰、电磁辐射原理,还有对EMI进行测试,什么是EMC?EMC就是电磁兼容,雷电和EMI的防护,除了这些内容,我想都是大家比较感兴趣的,也比较重要的,这些内容估计在书上找不到,因为这些都是我几十年来的工作经验总结。我做这个技术已经做了四十多年,我从十几岁就开始接触电,是一个爱好者。后来我到了一个军工厂从事雷达、识别器和雷达干扰机,这些东西都是比较尖端的国防工业技术。后来回来以后组建了康佳技术开发中心,一辈子都是做技术的,所以在技术工作的过程中积累了不少经验。我现在已经退休了,所以我想能够利用这个机会,很高兴把我所知道的技术和经验介绍给大家。
先初步认识一下什么是雷电。这是迪拜的世界上最高的塔遭雷劈所拍的照片,这个塔是800多米,是全世界最高的塔。按照这个距离量下去就知道它的路线有多少米。雷电就是静电放电的过程。这也是迪拜塔受雷击所拍的照片,这是一个乡村遭雷击的照片,这是树林、山林遭雷击的照片,这是大巴遭雷击的照片,所以大家就知道了雷电有多么厉害。前两天黑龙江和内蒙古的大兴安岭、小兴安岭发生火灾也是因为雷电产生的。这是遭雷电劈的电视机,这是遭雷电击坏的电脑设备,每年我们国家大概都有几百万台电子设备遭雷击损坏。
刚才跟大家介绍一下什么叫雷电和ESD,ESD就是静电放电,雷电也属于静电放电,所以大家都知道ESD的危害性有多大。地球每秒钟大概就有100多次闪电,每闪电一次能量就可以提供100w的灯泡供我们用3个月,在雨季平均每6分钟就有一个人被雷电击中,中国还不是受雷电受害最集中的地区,在非洲这些地区受雷击更严重,上海电视塔平均每年要遭受33次大的雷击,今年4月13日上海电视台电子设备遭受不同程度的雷击,天线站玻璃钢都起火了,变成一个大火球烧起来了。还有一次是1992年在北京国家气象中心也受到雷击,损失了2000多万元。在全世界每年受雷电击坏的设备都是以千万为单位,每年遭受的损失都是上千亿。我们现在使用的电子设备价格越来越高,对防雷的要求也越来越高。
为什么会产生雷电?可能大部分人都不知道,我在这里就给大家讲解一下雷电是怎么产生的。雷电是由于电磁场产生的,世界上什么电都是通过电磁场反应产生的。为什么会产生雷电呢?因为在离地球30公里外有一个电离层,电离层实际上就是最外的空气受到太阳光、紫外线照射而产生电离,太阳光实际上也是一种电磁波,电磁波的作用相当于我们把一个食物放在微波炉里面加热,原理是差不多的,但是微波的波长线很长,紫外线相当短,所以作用不一样,用微波炉不能把空气进行电离,只有紫外线能够电离。被电离以后会分成两层,一层带正电,一层带负电,与地球相对的一层带正电,地球就是带负电。地球是一个圆的,带电的话相当于电层强度是散发性的,越靠近地球电容强度越高,靠近地球表面是100v,也就是说一米高的位置电容强度是100v电容强度就是用这个来表示,大家在中学里面很少用电位梯度的概念表达电容强度,后面我们在工作中还是用电位梯度来表示电容强度是最合适的,比如灵敏度、多少毫伏米都是属于电感强度。以前是用牛顿的力学来表达,那个概念相对来说比较难理解,两个带电物体之间产生多少牛顿力的时候,换算成单位来表示电容强度,这个强度不太好理解,如果用电位梯度表示就很方便了。
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由于地球是带电的,相对电容层来说。一个物体在地球空间里面就会受到电场的作用产生极化,什么叫极化?就是说一个物体原来是不带电的,现在产生极化带电,一端带正电,一端带负电。比如说这个源相当于一个导体,如果底下是绝缘的话,上面如果没有屏蔽,我的上面就带负电,下面带正电,中间这个地方是不带电的,人相对来说还是偏中性,但是虽然极化带电的,但我总得来说还是变中性,带的正电和负电都是相等的。如果把原来极化带电的物体分成两个,这两个都会带电。形象地说,一朵云在电场作用下极化带电,但没有产品电流,电感强度没有达到这么高,如果把它分成两块就会产生电容带电。现在由于风的作用,把它一吹变成两块,中间的地方分成两块,有一块相当于带负电,有一块带正电。这就表示电位曲线,中间这个地方表示电位反映,上面带负电,下面带正电,这个幅度越高表示带电幅度也越高。这个没有带正电,那个没有带负电,电容性就破坏了,相对来说是带负电,这个带正电的。云带电就是因为这样产生的。
如果两个极化带电的云配在一起就是两块,原来没有带电的,只是极化带电的两个合在一起,相当于把体积加大,电位加高,相当于能量变大了。如果把两块带负电或者两块带正电的合起来,负电能量也在增加,正电能量也在增加,两头都变成是带电的。大家注意,电感强度不管带的定位多高,电感强度还是一样的,电位梯度都是一样,斜率也都是一样的,不管大小,斜率都是一样的,因为电感强度是由电子层决定的,所以斜率也是一定的。
如果一个带电体之间分开的话,就有一个大的电位,绝对值相对来说也会偏高,这就是因为云受到极化带电以后,分分离离又合合,使得云带的电越来越高。带电越来越高以后能量也越来越高,两个碰在一起就会放电,就会产生雷电,雷电就是这样产生的。雷电就是因为在地球的外围空间里面存在电场,云又受到风的作用,才会互相分离又互相组合,使带电物体的电位越来越高,最后形成放电。 还有摩擦带电也是由于电场产生的,因为两种不同的物体有接点电位差,电磁也是靠两种不同物体产生的电位差,最后产生化学作用,之前电场没有发生化学作用的时候,两个物体靠在一起就会产生电场作用,就已经有了电位差,产生摩擦的话和雷电产生的过程一样,来回分离又组合,最后产生一个高的电场。
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举一个具体的例子,比如说我现在这个人站在地上,我是光着脚,地板是导电的,这个椅子是绝缘的,我从地面一站到椅子上就相当于我带电了。为什么?因为我原来是极化带电,上面带负电,下面带正电,我站在地上下面就变成零,上面变成了-100v,站上去的时候相对来说我就变成带电的人。所以,很多在半导体车间或者和集成电路接触、打交道的人,不要随随便便用人摸集成电路,因为你这个人不知不觉就带电了,你从门外面走进房子里很可能就带电了,在上楼梯或者地板铺有一层绝缘的东西,在绝缘以外的时候你不带电,站上去就带电了,因为上面有电层。还有空调的风吹出来的空气会和你身体上面的衣服进行摩擦、感应,它容易带电,用静电笔来测,随便碰衣服或头发,上面带的电基本上都有300v左右,如果摩擦几下大概就有4000-5000v,所以静电感应是相当厉害的,很多模型电路在送到工厂的时候就是用盒子包装,因为盒子是导电的,如果用电表去量它好像没有电阻,电阻是无穷大,其实它是导电的,相对来说电导率很低,也就是电阻很大。
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