跟大自然来电－谈静电在生活中的效应

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台湾大学物理系毕业
加州大学洛杉矶分校天文学博士
曾任职于美国太空总署(NASA)
台湾大学天文物理研究所
台湾自然科学博物馆馆长
致力于推广科学教育孙维新台湾自然科学博物馆馆长


Nov.07讲座内容精彩回放

跟大自然来电谈静电在生活中的效应
各位科学爸爸讲堂的朋友们，大家好！我是孙维新，很高兴再一次跟大家在空中见面，这是我们科学爸爸的第二十一场论坛了，这一次让我们回到生活中的科学主题，我想要跟大家谈谈「静电」的这个现象。

今天我刚好在上海，因为明天要往重庆再到西藏，是一个出差行程，但是因为经过上海，可以跟科学爸爸讲堂的朋友们在线下活动中见面，像是尚德国际学校以及张江镇妇联所办的交流活动，真的很高兴。很高兴科学爸爸这个团队可以在科学教育与亲子共学这两方面努力，也希望这个团队会做得越来越好。

我们刚说要从天文回到生活中的科学主题，谈一谈「静电」。我们看到「静电」这两个字，就想到谁跟谁会「来电」，这个「来电」有时候还真的满可怕的。我记得1983年我在美国加州大学UCLA当研究生，那一年的暑假有个机会申请到了在亚利桑那州（Arizona）的美国国家天文台工作，需要去亚利桑那州在天文台做一个暑假的summer student。那里是个沙漠，干燥无比，夏天也奇热无比，暑假开始的时候，我就一个人开车从加州到亚利桑那州，一过了州界迎面吹来一股热风，沙漠上的热风真的是令人难以忍受，白天热到华氏114度，大概是摄氏45度，真的是酷热难耐，但是到了晚上就掉到了10几度，温差高达30度！

在沙漠里面有好多自然奇观，我们看到夏天每到了下午就会有闪电雷雨，当地人把这段时间叫做Monsoon season（雨季），常常下大雷雨，有时候雨下不下来，但是闪电在空中看起来非常壮观！

这就是大自然的静电放电现象；到了晚上工作了一天以后，坐上了汽车要回家，汽车里面的温度真的很高，因为在114度的高温底下，车子停在户外，晒了一整天真的很烫！当时我住在一个老先生的家里，算是一个民宿，跟我同住的还有另外一个大陆的留学生，每天让我印象最深刻的事情，就是晚上回到家以后，黑着灯开始脱长裤，长裤会黏在皮肤上不太好脱，脱下来了以后竟然可以在黑夜里面看到裤管里面在跳火！蓝色的火花在裤管里面劈哩啪啦的跳，这个就是非常明显的「静电放电」现象。

另外在Arizona工作的话会变得非常「中式」的有礼貌，中国人的礼貌非常「科学」，打躬作揖就是不握手，外国人的礼貌非常不科学，因为在干燥的地方一握手就来电！两个人的手都会电到。另外就是出门进门大家也好有礼貌，彼此你让我揖的就是不愿意去动手开门！因为只要手上一碰到门把就会被电到，这就是我们在干燥的环境当中，所常能体会到的「生活中的静电」。

这种静电现象产生的重要原因就是是「电荷累积」，而电荷累积的一个原因是靠「摩擦」，「摩擦」可以把电荷从一个物体转换到另外一个物体去，我们现在放上一个公园里的小女孩的图片。

这个小女孩如果身上穿的是毛质或化纤的衣服，在公园的溜滑梯上滑来滑去，身上累积的电荷就多了，小孩从溜滑梯滑下来以后竟然毛发直竖，怒发冲冠！只要穿着毛质的衣服就会造成这种现象，但是不用担心，静电本身对人体是不会造成太大伤害的，但是对动物来说却不舒服！

我们现在看到另外两张图，就是可怜的猫了！

这只猫竟然全身黏上了气球，另外一只猫全身沾满了塑料包装箱里的泡沫球。这只猫一脸无奈的样子看起来真的很好笑，这就是因为猫身上的毛皮很容易带电，而人的身上穿了毛皮也一样容易带电，生活当中有很多这样的现象，但这些现象到底是怎么来的？我们就来谈谈静电现象的原理。

「静电」是一种很常看到的物理现象，在什么东西上面会出现？千万要记得，不是「导体」，而是「绝缘体」。静电现象的出现必然在「绝缘体」上，有些人总认为应该是导体上，因为导体上才会有电，但是导体上的是「电流」，是流动的电，而静电是「不动的电荷」。只要是因为「摩擦」，损失或接受电荷，就会让绝缘体的表面或里面（多半在表面）出现了多的正电荷或是负电荷，原先是「电中性」的这个绝缘体就带电了。

就人来说，人体也可以是一个带电体，如果身上带了有额外的电荷，在天气干燥的时候和人握手，就会感到有针刺性的电击，如果穿着毛袜子在地毯上行走，有时候产生的静电电压会高达2,000伏特，有人一听到就吓坏了！平常墙壁上的插座电压也才110或220伏特，这个2,000伏特不是很不得了的高压吗？不用担心，一般我们讲交流电或是直流电，如果到了110或220伏特，那千万不能碰，这就是为什么家庭里面墙上的插头，如果不用一定要拿塑料的塞子塞起来，免得家里面小孩爬过去拿尖的东西插进去触电，这样的交流电对人类是会有致命的危险的。

但静电为什么可以高达2000伏特也没有危险呢？就是因为它的电荷是不流动的，流动的电流是危险的，静电一般还好。穿脱化纤衣服的瞬间，静电电压可以高达5万到10万伏特，当静电电压超过2,000伏特的时候人的手指就会有感觉，超过3,000伏特以上的时候就会有电火花产生，超过7,000伏特心电传导就会受到影响了，我们人类的心脏跳动基本上就是一个电化学的现象，心脏是靠电脉冲在跳动的。

有一次在医院观察心脏手术的经验，让我记得很清楚，因为我不是学这一行的，就会特别容易受到感动。我有个朋友在台湾高雄当心脏外科医生，他帮一个职棒选手动心脏手术，您说职棒选手心脏怎么会出问题？职业运动选手通常不会有心脏瓣膜的问题，那位选手还是个主力投手，身材不错，体力也好，但是他在球场上却有几次差点晕过去，医生检查了以后，才发现是他的主动脉瓣膜闭锁不全，这是心脏问题上面很常见的一种现象，如果不动手术五、六十岁以后心脏就会出严重的问题。站在科学教育的角度，我就问了我的朋友，是否可以带着两个摄制组到手术房去拍摄手术的过程，他答应了，我们就进去拍，这一次我真的深受感动，感觉到了生命的奥秘与奇妙！

动心脏手术的时候，是从心脏上下两端插了管子，把心脏的血全部引出来体外循环，这个时候人的血液不通过心脏，由外面的机器支持整个身体的循环，除了保持了生命迹象以外，还同时把血液的杂质过滤掉清洗了一遍。当我的医生朋友花了一整天动完这个手术之后，把有问题的心脏瓣膜拿出来，换上由牛心包膜所制成的人造瓣膜，换完了以后才是让我们惊讶的开始！

体外循环的血液重新送回到心脏里面，在体外循环时，血液温度是降低的，回流的时候通过了一个包覆温水的管线，进到心脏，医生手一弹，心脏又开始跳动了。我们当时在旁边真的超感动的！就觉得心脏怎么就知道要开始跳动？不禁赞叹大自然的神奇跟奥妙，而医生朋友却在旁边说，这不过就是一个电化学的效应而已！所以人体如果受到了太强烈的静电刺激，对心脏的心电传导是会有影响的，一般平常人受到静电的影响，顶多是指尖有点刺痛感，但是心脏如果装有心律调整器或是心脏有问题的人，还是最好不要去接触这些静电实验。

各位朋友们大家知道吗？人类很早就发现了静电的现象，在公元前六世纪，也就是离现在2,600年前，就发现了琥珀（Amber）经过摩擦以后可以吸引又轻又小的物体，当然羊毛也是、化学纤维也是，还有大家最常用的是气球跟PVC的水管等，晚上等教授讲完了以后，家里的科学爸爸跟科学妈妈们，就可以带着小朋友尝试了。这些物体经过了相互摩擦以后，电荷转移了产生的电压就会释放静电。

我们刚看到的两张图片，就是当年我开车在亚利桑那州常常看到的午后雷电现象，人类现在认为闪电打到了地上，是因为在云端累积了电荷以后，电量到足够大就会穿过空气往地面上打下来，因为这些电荷想要找到「回家」的路径，接地了就可以让电达到中和，所以静电就会往地上冲。台湾到了夏季也常会有午后雷阵雨，雷阵雨的时候不但晚上的天文观测做不了，连下午都要非常小心，因为仪器设备不能被电打坏掉。

我们在鹿林山天文台累积了多年的经验，发现如果从云端一往地上放电，不但要把所有仪器跟计算机全部关掉，还要把所有的插头都从墙上拔下来！这里要告诉大家，生活上也是如此！如果发现有雷电的天气，不但要把家里所有的电器都关掉，也要把所有的插头都拔下来，因为虽然关掉电器，电路不通了，但是电压高了它还是会跳火，虽然仪器关掉了，但是电顺着墙壁里面的电线还是照样会破坏这些设备。我刚刚说的不只是雷电打下来屋里的电器要小心，我们有一次经验，就是闪电都还没打下来，设备就已经坏了，因为云端累积了足够的电荷，跟地面产生了一个强大的电场，而这个电场就造成了敏感电器的失灵，所以静电现象在大自然里面还真的有很大的影响。不过只要小心，不要让电跳出火来，就不会对我们的生活有什么影响。

而在这里也要跟大家从科学工作者的角度坦白一个事实，人们现在对于暴风雨跟雷电的认识还是很浅薄的，当人类观察了这么多年的雷雨跟闪电，在教科书上产生了一种标准的说法，说是云端累积了大量的正负电荷，所以会放电，云跟云之间会跳火，会闪电，接近地面的这些云累积了足够的电荷，地面对它的吸引力很大，所以这些闪电就会打穿大气，回到地面，造成电中和。

科学家的想法是云有带正电的，也有带负电的。但是学科学的人要听孔子的话：「知之为知之，不知为不知，不能强不知以为知。」不能不知道还以为自己有多厉害。我前些时候看到了一个Discovery的影片，有个科学家就是不信邪，租了一个小飞机在鼻头装了一个电传感器，在暴风雨来临之前闪电交加的时候，就冲进了云层里面，目的就是证明到底云堆是不是正负电交互累积的。这就是科学精神，冒着生命危险去找寻答案，「朝闻道，夕死可矣。」为了科学的真相死都不怕！

您知道结果是什么吗？这个科学家回到地面上以后，第一句话就是「教科书上说得都是鬼扯！」因为他的飞机不论飞到哪一个云堆去，他都发现正负电交错混和，竟然没有找到正电或负电的电荷大量独立累积，所以他说了：「今天，我们走到户外，在闪电交加的庭院里头抬头看闪电，我们对闪电的了解，大概跟三万年前石器时代的人走出山洞看着闪电是一样的！」这个影片给了我们很大的启示，很多时候我们认为很多事情理所当然，当大家讲久了看久了就会相信那是真的，直到有一天有一个人真的去测试一下，才会发现其实真相根本不是我们所想的这个样子！

当然我们也说了，静电在我们的生活当中扮演了重要的角色，我们常常会用保鲜膜把吃不完的食物连盘子包起来，保鲜膜常常都会在手上黏来黏去，这就是静电现象；在榖仓或货舱里面很多时候会有粉尘爆炸，也是因为静电现象；静电因为摩擦，两个接口接触造成了两个物体的电荷分布不均，那我们就来看在物理上面是怎么看待电荷的。

我们说过了静电都产生在绝缘体，而如果是导体，只要是电荷不平衡就会马上产生电流，所以就不会有静电的累积；我们知道所有的物体都是由原子组成的，原子的中央有原子核，外面有电子，原子核里面有质子跟中子，中子是不带电的，而质子是带正电的，现在我们看到两个图：

第一个图就是一般性的质子跟中子在中间，红的就是质子，白的是中子，数目常常是一样的，电子带负电在外圈，数目和质子是一样的，所以正常的情况之下一个原子是电中性的。

但是如果经过摩擦以后，有些原子的电子跑掉了，就会变成带正电的离子，有些原子的电子增加了就会变成带负电的离子，比如拿绢布摩擦PVC水管，结果负电就会跑到PVC管上，然后再拿这个水管接触我们的头发，就可以把头发吸起来，原因是PVC水管上带着负电，头发上的正电就被吸引过来了。无论是气球、塑料绳，或是水管都可以拿来做这个实验，

现在我们可以来看一下怎么做这个有趣的实验，大家如果有空可以去外面买一个长条型的气球，这种气球摩擦了以后去碰别人的头发你就会看到有电，然后再拿个塑料绳撕成细丝，也拿绢布摩擦一下，两者都带了负电，所以把塑料绳一丢，再把气球放在底下，就会发现塑料绳子可以飘在空中，变成一种「水母漂浮」的现象。

另外一个实验是什么？现在摆上来的三张图片：

是我请我们的博物馆同仁费尽千辛万苦做出来的，您说看起来好像不辛苦吧？先拿两个塑料杯，就是外面那种卖饮料的塑料杯，拿来以后找铝箔纸把其中一个杯子包到三分之二高，另外一个杯子包三分之一的高度，两个杯子都包好了以后，再撕一小段铝箔纸当做接电的引子，把包的比较高的杯子放在里面，再把引子放在两个杯子的中间，可以接触到里面杯子的铝箔，这就完成了一个简单的「莱顿瓶（Leiden bottle）」也就是「验电瓶」，这是可以用来检验是否有静电的装置。然后拿一个PVC的水管，拿一块布摩擦水管以后，把水管接近那两个杯子中间那一小条接受电荷的铝箔纸，重复这样的动作，就能把这些负电电荷灌输到这两个杯子里面去，然后就要让您开始受苦啦！把手握住外面那个杯子底下的铝箔纸，右手摸那一小片铝箔，就会有触电的感觉。不过大家也千万不要骂孙教授，听说常触电的人比较不会发胖！

这个莱顿瓶可以上网络去看看，制作的方式千奇百怪，今天我们讲的是最简单的方式，也就是两个塑料杯、一片铝箔纸，就可以「来电」了。小朋友做完了以后可以拿去给爸爸妈妈看，让他们被电一下，然后告诉他们「为了科学，这点牺牲算不了什么的！」

其实最标准的起电器叫做「范式起电器（Van de Graaff generator）」：

现在大家看到这个图像，其实就是一个圆球，金属的半球就像是一个锅，从这个锅到底下的台子中间有一个布料环，看起来像是一个回旋器，是一个长的布条绷在两个轮子上转，可以透过摩擦把电荷送到这个半球的起电器上面。一般的范式起电器上所累积的电压可以高达35万伏特，所以如果有机会尝试的话，用手去碰碰看真的会啪一下电你一回的。现在我们有现场观众在发问了，到底这个范式起电器的布料放在哪里？就在这个金属球到这个台子的管子中间，这是一个细细的布料，高速旋转，转的越快电荷累积的就越多，这时候如果你站在一个绝缘体上然后去摸那个球，你就会变成怒发冲冠了，因为你的身体分享了这35万伏特，你的身体本身就会变成35万伏特的静电储存器了！

我们现在会看到一个非常好看的照片，这是一个美丽的女孩怒发冲冠的样子，是谁呢？

就是两岸都很有名的林志玲！为什么头发会竖起来？因为人体跟范式起电器一连结了以后，人体就充满了35万伏特的静电，而且都是同性的电荷，而身体上都充满了负电的电荷的时候，谁都不喜欢谁，因为同性相斥，但是因为身体没有办法被拉大，唯一可以动的就是头发，每根头发上都带了负电的电荷，它们希望彼此离得越远越好，所以就会竖起来了。

这个照片怎们来的？这是2005年爱因斯坦发表狭义相对论100周年的纪念场合，我们从一些单位拿到了大笔的经费，做了一个精采的展览，叫做「探索物理博览会」，那一年我整个暑假都在展览厅里面，我们总共用了100万美金做一个两个月的展览。那个暑假每天展览厅里面都挤满了大人小孩，大家从头玩到尾，我看到一个爸爸好面熟，每天好像都待在那边，于是我去跟他聊天，他说他带了孩子已经来了四次了，因为他的孩子玩得好高兴，不管是光学、磁学、电学等等各种好玩的实验，真的是玩不完！他说如果他可以早30年看到这些东西，那现在他也会是一个科学家了！

我们今天可以做这么经典的表演，让大家在这样的一个博览会里面，可以感受到物理的丰富及有趣，我们要感谢谁？有好几个伟大的物理学家是我们衷心敬佩的，现在放上来的照片就是19世纪最伟大的实验物理学家，英国的法拉第（Michael Faraday）。

当时他做了很多静电的研究，他不只是发现了电磁感应，创造了马达，发明了发电机，让人类从兽力的时代变成了电力的时代，让人类看到了电器带来的进步跟发展，同时他也在静电上有很大的成就。

还有一个叫做特斯拉（Tesla）的人，现在看到的是标准的「特斯拉线圈」：

这个线圈可以把静电累积到一个非常非常高的伏特数，差不多是80万到100万伏特，这么高的静电电压很容易就可以打穿周边的大气。现在看到当这个特斯拉线圈电压很高的时候，这些跳火就会朝四周的地上飞去，因为它们想找到回家的路，只要可以回到地球这个巨大的电容里，它们就高兴了。这个表演相当精采，这是我们在2011年所写的第三个科学艺术舞台剧「法拉第—让世界动起来」，我们请了一个美国的表演团体，带了大量的设备到台湾，在侧舞台上搭起了特斯拉线圈，做静电的表演。

您知道这个表演是怎么进行的吗？这个表演者的名字叫做「百万伏特博士（Dr. Megavolt）」，他跟他的夫人Mistress Megavolt两个人穿着一身金属装，直接走到了特斯拉线圈的旁边，而静电的火花竟然直接就从两个人的头上打下去！

听起来很可怕，但他们却没事，这两个人优游在静电火花之中，有时候拿着木条、有时拿着各种各样的东西去逗弄这些电火花，为什么没事呢？就是因为他们的身体外面包了一层金属网状的服装。为什么这个金属网状的服装就可以保护这个人？这个现象我们叫做「法拉第笼（Faraday Cage）」。

当人被包裹在一层金属里面的时候，即便不是密闭性的，只是一个粗糙的铁笼子，人在里面也是一点问题都没有，因为静电打在笼子上会顺着金属的表面直接走到地底下去，这就好玩了。看到第二张图片的笼子里面有个人，这就是我们在法拉第舞台剧里面，真的让人进到笼子里面，启动了特斯拉线圈，里面的人装得很痛苦，其实一点事情都没有。

当时我们的科学舞台剧是台湾的台达电子所赞助的，而董事长郑先生帮助我们推行科学教育是不遗余力。当时我们在演出的时候，底下坐了几千个他的员工，演完了以后他上台来感谢我们，说：「你们作得太好了，有什么我可以做的？」我说：「郑先生，整部戏演下来，就是没有人真的进到法拉第笼里面去被打，您要不要试试看？」郑先生说了一句特别让我感动的话：「好，我相信法拉第，我来！」您知道吗？台下几千个员工爆出了一阵欢呼，不知道是因为欢呼开心还是难过，当我陪着郑先生走到笼子旁边的时候，我还跟他们的员工开玩笑，说不知道该让大家买股票还是卖股票了，董事长亲自尝试，结果郑董事长在笼子里面，外面的静电大量的打在笼子上，他在里面真的一点事情都没有！

今天我们大致讲了一下静电现象，说了静电是怎么产生的，但是很多时候为了保护我们自己跟电子设备，底下的两张图片大家可以看到用塑料包着的有金属线条的：

这是计算机的适配卡，就是不希望在运送的过程中，接触到静电而把适配卡里面的电子组件给打坏了，这样的金属静电保护装置在高科技的电子行业里面常常看到。另外一张图片显示一个手环，尽头连着一个鳄鱼夹，可以直接夹在接地的装置上面：

这就是给在电子工厂上班的人，在工作的时候，为了不要让身体上的静电破坏了电子设备，会用一个手环戴在手腕上，同时用鳄鱼夹接地，保护手上操作的电子组件。

总结来说，静电在我们的生活当中，扮演相当重要的角色，但是静电的干扰在生活中也让人觉得很困扰，空气湿度比较高的时候我们不容易感受到静电的存在，因为湿度大的时候空气中水分子多，可以把物体表面额外的电荷轻易带走，所以在潮湿的地方要做静电表演是相当困难的，但反过来说就不用担心静电现象。需要担心静电的是干燥的地方，在空调房里面待久了，湿度降低，空气干燥，如果又有地毯，又穿着羊毛衣，皮肤又干燥，就更特别容易让电荷累积。

为了减少这样的困扰，有几件事情跟大家提醒一下，常常使用计算机的人，接触到的这些办公设备也容易累积静电，所以一定要让静电赶快传到地面，不要让静电累积在身体里面。高楼上的人因为居室里面的墙壁跟地板都是绝缘体，加上室内用空调会让空气更干燥，再加上绝缘的胶底鞋，人体蓄积的静电没有办法随时排放出去，所以应该常常到室外走走，尤其是附近的公园绿地，如果草地很干净，就把鞋子脱了让你的脚接触大自然！

在台湾的科博馆草地非常干净，绿草如茵，很多人喜欢把鞋袜脱了让脚底直接接触到干净的草地，那是很舒服的，不但疏散身心，还可以让体内积存的静电透过这样的方式消耗掉，其实光脚在地面上走也行，让脚板接触地面直接放电，或是在室内放盆水保持湿度，尤其是冬天，因为冬天比较干燥，又容易到处产生静电。

今天我们除了讲静电的科学以外，同时也讲了一些生活上防静电的保护措施，希望大家知识提升了之后，日子能过的更愉快！今天我们的讲座到此结束，谢谢各位，大家晚安！

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