冬季收集静电能取代三峡电站吗？

　　出品：科普中国
　　制作：银河路16号团队
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　三十多年前，诗人北岛写下心惊胆颤的名句：
　　当我和那些有形的人
　　握手，一声惨叫
　　这首伴着一连串惨叫、以短路告终的诗叫《触电》，我们可以推断，它一定是写于北方的冬天当西伯利亚冷气团取代了太平洋暖风，干燥的大地就迎来了这个啪啪啪的季节：梳头发，啪啪啪，掏电话，啪啪啪，推门把，还要啪啪啪
　　（日常静电灾害：爆炸的羽绒服和气球猫）
　　这些日子，在又一次把自己电得活蹦乱跳，读完又一篇如何防静电的科普文之后，你肯定想过：
　　就不能积极一点，收集静电，变废为宝？让一两个人用啪啪啪，撑起一个费电的家，让全北方摩擦摩擦的人民联合起来，取代南方发电的三峡？
　　古有中学物理老师告诉我们：别做梦了！
　　今有中科院教授告诉我们：梦就梦呗，又不上税，兴许成真了呢？
　　让我们温故知新，听他们的话。
　　唱衰静电的常见理由为：
　　日常静电，电压虽可高达万伏，但电流很小，连人都电不死，发什么电？！
　　话是这么说，细想却有疑窦：
　　1、为啥电压那么高？
　　发电站累死累活烧火用核，才造得出高压电，我们脱个秋裤就高了？
　　2、如果电压那么高，为啥电流那么小？
　　中学物理我们基本忘光了，不过欧姆定律（IUR）还记得：人体电阻（R）一定的话，电压（U）越高，电流（I）不也应该越大吗？而且，既然电流小，为啥还能闪火花，蛰疼我们？
　　3、如果电压那么高，为啥电不死人？
　　家用电压不是220伏吗？成千数万伏静电加身，我们闲庭信步，摸个电门就怂了？
　　有请中学老师，帮我们掸掸理综真题上的灰。
　　秋裤上的高压电
　　先看日常静电产生。
　　都说摩擦起电，其实起电的不是摩擦。不同材料表面只要接触，一方的部分电子就会转移到另一方上，让前者带正电，后者带负电，所以，严格说是接触起电。当然，摩擦、施压可让更多电子转移。一个电子有一定量的电荷，电荷总量叫电量（以库仑为单位，与日常用电以度为单位的电量含义不同）。
　　日常摩擦，材料间转移的电子数有限，所以，日常静电电量很小，只有几微库仑（106级），但是，电压却不小。这又为什么呢？
　　两个物体表面带上电荷，离得不远，中间隔着空气，形成电压，这像个什么电气件？电池？发电机？不，它们像的，是容纳电荷用的电容器。
　　（平行板电容器示意图）
　　我们知道，电容器中的电压（U）等于其所带电量（Q）的绝对值除以其容纳电量的能力电容（C），即UQC。
　　换句话说，即使电量很小，但如果电容更小，小得多，电压就会很高。
　　简单说，在冬季空气干燥、摩擦衣物绝缘等日常条件下，人体与周边环境（如地毯）近似构成的电容器，其电容只有一千到一百皮法（109至1010级），被电量一除，电压就会高达成千数万伏了。
　　所以，谁说电量小，电压就不能很高啦？
　　电流真的小吗？
　　再看日常静电放电。
　　在上述日常条件下，我们有成千数万伏静电加身，但身体表面电压基本相等，并没形成电流穿过我们，这时根本用不上欧姆定律。
　　现在，我们去摸金属门把：它可不绝缘，是导体，算零电位，与人体间就有了电势差，电流形成，放电了，火花一闪注意：火花出现在我们摸到门把之前，在二者的间隙里。
　　微观上看，我们与门把离得近了，1毫米3000伏左右的高电压，电场很强，就能击穿二者间的空气，把绝缘的空气在那一瞬变成导体，形成火花。
　　击穿空气的电流峰值并不小。根据Richman等人1986年与Pommerenke等人1996年的论文估计，这种电流瞬间最高可达1至3安左右。
　　（持小金属物的手释放的静电电流值，论文认为徒手的电流值会低一个数量级）
　　什么概念？若是插座的交流电，0。15安的电流穿过人体1秒以上，多半就会导致心室纤颤，人就要死了。
　　然而，还是因为日常静电的电量太小，虽然电流峰值很高，但在瞬间放电后，在穿过人体前，电流就没了。
　　所以，到底为啥电不死人？
　　电死人的究竟是电压、电流、电量、电阻、电功、电能？这个话题网上特别常见，各执一词，众说纷纭。
　　其实，纷纭的根源在于：电死人是件很复杂的事儿，所有一言蔽之均属一言堂。这取决于你摸什么（电门？闪电？）、怎么摸（倒立？劈叉？）、在哪儿摸（沙漠？泳池？）、用哪儿摸（指肚？手背？直接用心脏？）
　　本文不拟讨论十八摸。
　　（国际电工委员会提供的电流、时间与导致心室纤颤概率的关系图。）
　　至于日常静电为什么电不死人，就很简单了，还是因为电量太小。
　　电量小，即使电压高，电流峰值大，但放电时间实在太短（纳秒级），摩擦转移的那点电荷瞬间跑掉，电压、电流骤降为零。小火花释放的电能，据估算，每次才约0。5焦，或者更少，才0。06焦。
　　发电厂累死累活、闪电一惊一乍，它们提供的电量和电能，都比这大太多太多。
　　当然，这点电只能蜇你一下，却足以引爆可燃气体，炸个羽绒服事小，在工厂就相当恐怖了。
　　满足家庭用电？取代三峡电站？
　　下面做些可笑的计算：
　　假设冬季北方人民每人每天蛰20次，即制造20朵可见可听的静电小火花（这是不确切的）。
　　再假设其释放的能量还能百分百收集起来（这是不可能的）。
　　那么，按每朵小火花0。5焦算，人均日静电发电10焦，每月发电则为0。0000833度。
　　据国家能源局数据计算，2017年城乡居民每月人均用电是多少呢？
　　53度。呵呵。
　　众志成城怎么样？
　　据国家统计局数据估算，2010年中国北方人口为5。6亿。那么，全体北方人民日静电发电56亿焦，每季度平均发电则为14万度。
　　据三峡集团数据计算，2017年三峡电站每季度平均发电是多少呢？
　　244亿度。呵呵。别做梦了！
　　（除非你是它）
　　但见碧海磨纳米
　　日常静电电能这么小，要你何用？！
　　请注意，以上玩笑性计算只考虑了人体摩擦形成的可感小火花，然而，日常生活与大自然中的摩擦，还有太多太多。要是更高效地利用，没准真能取代三峡电站。
　　这话，是中科院纳米能源与系统研究所所长王中林教授说的。
　　王老师是造摩擦纳米发电机（TENG）的，开山掌门，据说已濒临诺奖。
　　这种号称世界上最小的发电机，善于采集小规模、不规则的机械能，转化为电能。
　　如果该技术得以长足发展，往大了说，可让大海摩擦发电。200公里200公里5米深的海水，摩擦纳米材料，不必惊涛骇浪，也能采集出三峡电站的发电量。
　　（概念图：数以百万的摩擦纳米发电机网状连结，采集低频海波能量）
　　往小了说，可做自驱动可穿戴的小型传感器。用人体脉搏振动，摩擦纳米材料可以采集电能，监控血压、心电、心音等。2017年，北京两所医院已据此展开合作研发。
　　（基于摩擦纳米发电机的自驱动高灵敏脉搏传感器）
　　往中间说，前文提到的各种日常静电，配以纳米材料，也许未来都能采集转化。
　　锋芒初露，前路修远，我们不妨拭目以待，翘盼用眨眼儿、打嗝儿、嘚比嘚和啪啪啪发电的机器早日产业化。
　　科普中国是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
　　本文由科普中国移动端出品，转载请注明出处。