收集冬季靜電，能不能取代三峽電站？

出品：科普中國

製作：銀河路16號團隊

監製：中國科學院計算機網路信息中心

三十多年前，詩人北島寫下心驚膽顫的名句：

「當我和那些有形的人

握手，一聲慘叫」

這首伴著一連串慘叫、以短路告終的詩叫《觸電》，我們可以推斷，它一定是寫於北方的冬天——當西伯利亞冷氣團取代了太平洋暖風，乾燥的大地就迎來了這個啪啪啪的季節：

梳頭髮，啪啪啪，掏電話，啪啪啪，推門把，還要啪啪啪。脫衣，你是雷公，扒褲，我是電母。戴上耳機，就如雷貫耳，吸貓擼狗，就電擊虐畜。舌吻牽手摸摸頭，你是我的霹靂貝貝，我是你的皮卡丘。

最後，穿羽絨服進廚房，趕上煤氣泄漏，炸了。

（日常靜電災害：爆炸的羽絨服和氣球貓）

這些日子，在又一次把自己電得活蹦亂跳，讀完又一篇如何防靜電的科普文之後，你肯定想過：

就不能積極一點，收集靜電，變廢為寶？讓一兩個人用啪啪啪，撐起一個費電的家，讓全北方摩擦摩擦的人民聯合起來，取代南方發電的三峽？

古有中學物理老師告訴我們：別做夢了！

今有中科院教授告訴我們：夢就夢唄，又不上稅，興許成真了呢？

讓我們溫故知新，聽他們的話。

我腦子慢，你可別蒙我

唱衰靜電的常見理由為：

日常靜電，電壓雖可高達萬伏，但電流很小，連人都電不死，發什麼電？！

話是這麼說，細想卻有疑竇：

1、為啥電壓那麼高？

發電站累死累活燒火用核，才造得出高壓電，我們脫個秋褲就高了？

2、如果電壓那麼高，為啥電流那麼小？

中學物理我們基本忘光了，歐姆定律（I=U/R）還記得：人體電阻（R）一定的話，電壓（U）越高，電流（I）不也應該越大嗎？而且，既然電流小，為啥還能閃火花，蟄疼我們？

3、如果電壓那麼高，為啥電不死人？

家用電壓不是220伏嗎？成千數萬伏靜電加身，我們閑庭信步，摸個電門就慫了？

有請中學老師，幫我們撣撣理綜真題上的灰。

秋褲上的高壓電

先看日常靜電產生。

都說摩擦起電，其實起電的不是摩擦。

不同材料表面只要接觸，一方的部分電子就會轉移到另一方上，讓前者帶正電，後者帶負電，所以，嚴格說是接觸起電。當然，摩擦、施壓可讓更多電子轉移。一個電子有一定量的電荷，電荷總量叫電量（以「庫侖」為單位，與日常用電以「度」為單位的「電量」含義不同）。

日常摩擦，材料間轉移的電子數有限，所以，日常靜電電量很小，只有幾微庫侖（10-6級），但是，電壓卻不小。這又為什麼呢？

兩個物體表面帶上電荷，離得不遠，中間隔著空氣，形成電壓，這像個什麼電氣件？電池？發電機？不，它們像的，是容納電荷用的電容器。

（平行板電容器示意圖）

我們知道，電容器中的電壓（U）等於其所帶電量（Q）的絕對值除以其容納電量的能力電容（C），即U=Q/C。

換句話說，即使電量很小，但如果電容更小，小得多，電壓就會很高。

簡單說，在冬季空氣乾燥、摩擦衣物絕緣等日常條件下，人體與周邊環境（如地毯）近似構成的電容器，其電容只有一千到一百皮法（10-9至10-10級），被電量一除，電壓就會高達成千數萬伏了。

所以，誰說電量小，電壓就不能很高啦？

電流真的小嗎？

再看日常靜電放電。

在上述日常條件下，我們有成千數萬伏靜電加身，但身體表面電壓基本相等，並沒形成電流穿過我們，這時根本用不上歐姆定律。

現在，我們去摸金屬門把：它可不絕緣，是導體，算零電位，與人體間就有了電勢差，電流形成，放電了，火花一閃——注意：火花出現在我們摸到門把之前，在二者的間隙里。

微觀上看，我們與門把離得近了，1毫米3000伏左右的高電壓，電場很強，就能擊穿二者間的空氣，把絕緣的空氣在那一瞬變成導體，形成火花。

擊穿空氣的電流峰值並不小。

根據Richman等人1986年與Pommerenke等人1996年的論文估計，這種電流瞬間最高可達1至3安左右。

（持小金屬物的手釋放的靜電電流值，論文認為徒手的電流值會低一個數量級）

什麼概念？若是插座的交流電，0.15安的電流穿過人體1秒以上，多半就會導致心室纖顫，人就要死了。

然而，還是因為日常靜電的電量太小，雖然電流峰值很高，但在瞬間放電後，在穿過人體前，電流就沒了。

所以，到底為啥電不死人？

電死人的究竟是電壓、電流、電量、電阻、電功、電能……？這個話題網上特別常見，各執一詞，眾說紛紜。

其實，紛紜的根源在於：電死人是件很複雜的事兒，所有一言蔽之均屬一言堂。這取決於你摸什麼（電門？閃電？）、怎麼摸（倒立？劈叉？）、在哪兒摸（沙漠？泳池？）、用哪兒摸（指肚？手背？直接用心臟？）……

本文不擬討論十八摸。

（國際電工委員會提供的電流、時間與導致心室纖顫概率的關係圖。）

至於日常靜電為什麼電不死人，就很簡單了，還是因為電量太小。

電量小，即使電壓高，電流峰值大，但放電時間實在太短（納秒級），摩擦轉移的那點電荷瞬間跑掉，電壓、電流驟降為零。小火花釋放的電能，據估算，每次才約0.5焦，或者更少，才0.06焦。

發電廠累死累活、閃電一驚一乍，它們提供的電量和電能，都比這大太多太多。

當然，這點電只能蜇你一下，卻足以引爆可燃氣體，炸個羽絨服事小，在工廠就相當恐怖了。

滿足家庭用電？取代三峽電站？

下面做些可笑的計算：

假設冬季中國北方人民每人每天啪20次，即製造20朵可見可聽的靜電小火花（這是不確切的）。

再假設其釋放的能量還能百分百收集起來（這是不可能的）。

那麼，按每朵小火花0.5焦算，人均日靜電發電10焦，每月發電則為0.0000833度。

據國家能源局數據計算，2017年城鄉居民每月人均用電是多少呢？

53度。

呵呵。

眾志成城怎麼樣？

據國家統計局數據估算，2010年中國北方人口為5.6億。

那麼，全體北方人民日靜電發電56億焦，每季度平均發電則為14萬度。

據三峽集團數據計算，2017年三峽電站每季度平均發電是多少呢？

244億度。

呵呵。

別做夢了！

（除非你是它）

但見碧海磨納米

日常靜電電能這麼小，要你何用？！

請注意，以上玩笑性計算只考慮了人體摩擦形成的可感小火花，然而，日常生活與大自然中的摩擦，還有太多太多。這要是更高效地利用，沒準真能取代三峽電站。

這話，是中科院納米能源與系統研究所所長王中林教授說的。

王老師是造摩擦納米發電機（TENG）的，開山掌門。

這種號稱「世界上最小」的發電機，善於採集小規模、不規則的機械能，轉化為電能。

如果該技術得以長足發展，往大了說，可讓大海摩擦發電，用200公里乘200公里乘5米深的海水，摩擦納米材料，不必驚濤駭浪，也能採集出三峽電站的發電量。

（概念圖：數以百萬的摩擦納米發電機網狀連結,採集低頻海波能量）

往小了說，可做自驅動可穿戴的小型感測器，用人體脈博振動，摩擦納米材料，採集電能，監控血壓、心電、心音等。2017年，北京兩所醫院已據此展開合作研發。

（基於摩擦納米發電機的自驅動高靈敏脈搏感測器）

往中間說，前文提到的各種日常靜電，配以納米材料，也許未來都能採集轉化。

鋒芒初露，前路修遠，我們不妨閉嘴，翹盼用眨眼兒、打嗝兒、嘚比嘚和啪啪啪發電的機器早日產業化。

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