Apa yang boleh elektrostatik

Apa yang boleh elektrostatik

Konstantin Bogdanov
"Kvant" №2, 2010

… Semua ramalan elektrostatik mengikuti dari dua undang-undangnya.
Tetapi satu perkara adalah untuk menyatakan perkara-perkara ini secara matematik, dan agak lain –
menerapkannya dengan mudah dan dengan bahagian yang diperlukan.

Richard Feynman

Elektrostatik mengkaji interaksi caj tetap. Eksperimen elektrostatik utama telah dijalankan pada abad XVII-XVIII. Dengan penemuan fenomena elektromagnetik dan revolusi teknologi yang mereka hasilkan, minat dalam elektrostatik telah hilang selama beberapa waktu. Walau bagaimanapun, penyelidikan saintifik moden menunjukkan pentingnya elektrostatik untuk memahami banyak proses sifat bernyawa dan tidak aktif.

Elektrostatik dan kehidupan

Pada tahun 1953, saintis Amerika S. Miller dan G. Urey menunjukkan bahawa salah satu daripada "blok bangunan hidup" – asid amino – boleh didapati dengan melepaskan pelepasan elektrik melalui gas yang dekat dengan komposisi ke atmosfir primitif Bumi, yang terdiri daripada metana, amonia, hidrogen dan wap air. Sepanjang 50 tahun yang akan datang, penyelidik lain mengulangi percubaan ini dan memperoleh hasil yang sama. Ketika denyut arus pendek melewati bakteria, liang-liang muncul dalam membran (membran) mereka, di mana serpihan DNA bakteria lain dapat melewati, memicu salah satu mekanisme evolusi.Oleh itu, tenaga yang diperlukan untuk asal-usul kehidupan di bumi dan evolusinya sememangnya boleh menjadi tenaga elektrostatik pelepasan kilat (Rajah 1).

Rajah. 1. Pelepasan kilat. Imej: "Quant"

Bagaimana elektrostatik menyebabkan kilat

Sekitar 2000 kilat kilat di tempat yang berbeza di bumi pada setiap masa, kira-kira 50 kilat menyerang Bumi setiap saat, setiap kilometer persegi permukaan bumi disambar oleh kilat enam kali setahun secara purata. Kembali pada abad ke-18, Benjamin Franklin membuktikan bahawa serangan kilat dari awan ribut petir adalah pelepasan elektrik yang membawa ke Bumi. negatif caj Di samping itu, setiap pelepasan membekalkan Bumi dengan pendaratan elektrik beberapa lusin, dan amplitud arus semasa serangan kilat berkisar antara 20 hingga 100 kiloampere. Fotografi berkelajuan tinggi menunjukkan bahawa pelepasan kilat hanya berlangsung sepersepuluh detik, dan setiap kilat terdiri daripada beberapa yang lebih pendek.

Dengan bantuan instrumen pengukur yang dipasang pada probe atmosfera, pada awal abad ke-20, medan elektrik Bumi diukur, keamatannya di permukaan ternyata kira-kira 100 V / m, yang sepadan dengan jumlah keseluruhan planet sekitar 400,000 Cl.Pengangkut muatan dalam atmosfera bumi adalah ion, yang kepekatannya bertambah dengan ketinggian dan mencapai maksimum pada ketinggian 50 km, di mana, di bawah tindakan sinaran kosmik, lapisan konduktif elektrik, ionosfera terbentuk. Oleh itu, boleh dikatakan bahawa bidang elektrik Bumi adalah bidang kapasitor sfera dengan voltan yang dikenakan kira-kira 400 kV. Di bawah tindakan voltan ini, arus 2-4 kA mengalir sepanjang masa dari lapisan atas ke lapisan bawah, ketumpatannya adalah (1-2) · 10-12 A / m2dan tenaga dikeluarkan sehingga 1.5 GW. Dan jika tidak ada kilat, medan elektrik ini akan hilang! Ternyata dalam cuaca yang baik, kapasitor elektrik bumi dilepaskan, dan semasa ribut petir – ia dikenakan.

Sebuah banjir kilat adalah sejumlah besar wap, sebahagian daripadanya telah dipendekkan dalam bentuk titisan kecil atau floes ais. Puncak dari banjir kilat boleh berada pada ketinggian 6-7 km, dan dasarnya dapat digantung di atas tanah pada ketinggian 0.5-1 km. Di atas 3-4 km awan terdiri daripada terapung ais dengan saiz yang berbeza, kerana suhu sentiasa ada di bawah sifar. Potongan-potongan ais ini bergerak dalam gerakan yang berterusan, disebabkan oleh arus naik udara panas yang naik di bawah permukaan bumi yang dipanaskan.Potongan-potongan kecil ais lebih ringan daripada yang besar, dan mereka ketagih kepada arus udara yang semakin meningkat dan di sepanjang jalan mereka sentiasa menemui yang besar. Dengan setiap perlanggaran sedemikian, elektrifikasi berlaku, di mana kepingan besar ais dicajkan secara negatif, dan kecil – secara positif. Lama kelamaan, potongan-potongan kecil ais berkumpul positif berkumpul terutamanya di bahagian atas awan, dan mengecam secara besar-besaran yang besar – pada bahagian bawah (Rajah 2). Dengan kata lain, bahagian atas awan dikenakan secara positif, dan bahagian bawahnya negatif. Pada masa yang sama di atas tanah terus di bawah caj positif kilat yang ditimbulkan. Segala-galanya siap untuk menunaikan petir, di mana terdapat pecahan udara dan cas negatif dari dasar aliran kilat ke Bumi.

Rajah. 2 Perwakilan skematik pemisahan caj elektrik di dalam buntel dan penampilan caj positif di atas tanah di bawah awan (disebabkan induksi elektrostatik) sebelum pelepasan kilat. Imej: "Quant"

Ia adalah ciri bahawa sebelum ribut petir intensiti medan elektrik Bumi boleh mencapai 100 kV / m, iaitu, 1000 kali nilainya dalam cuaca baik.Akibatnya, tuduhan positif setiap rambut di kepala seseorang yang berdiri di bawah bayang-bayang meningkat dengan jumlah yang sama, dan mereka, menolak satu sama lain, berdiri pada akhir (Rajah 3).

Rajah. 3 Bagaimana untuk mendapatkan rambut dalam medan elektrik yang kuat. Imej: "Quant"

Fulgurit – jejak kilat di atas tanah

Apabila petir dibebaskan, tenaga kira-kira 10 dikeluarkan.9-1010 J. Kebanyakan tenaga ini dibelanjakan untuk guruh, pemanasan udara, kilat cahaya dan pelepasan gelombang elektromagnet yang lain, dan hanya sebahagian kecil yang dipancarkan di tempat petir memasuki tanah. Tetapi bahagian "kecil" ini cukup untuk menyebabkan kebakaran, membunuh orang atau memusnahkan bangunan. Kilat boleh memanaskan saluran di mana ia bergerak hingga 30,000 ° C, yang jauh lebih tinggi daripada titik lebur pasir (1600-2000 ° C). Oleh itu, kilat, jatuh ke dalam pasir, mencairkannya, dan udara yang panas dan wap air, berkembang, membentuk tiub pasir lebur, yang membeku sesaat. Ini adalah bagaimana fulgurites dilahirkan (anak panah guruh, jari-jari sial) – silinder berongga yang terbuat dari pasir cair (Rajah 4). Yang terpanjang dari fulgurites yang digali di bawah tanah dengan kedalaman lebih dari lima meter.

Rajah. 4 Fulgurit, yang ditemui oleh pengarang artikel di kawasan Krylatskoye (Moscow); untuk skala pada foto yang sama, syiling lima ruble ditunjukkan. Imej: "Quant"

Bagaimana elektrostatik melindungi terhadap kilat

Mujurlah, kebanyakan pelepasan kilat berlaku di antara awan dan oleh itu tidak mengancam kesihatan manusia. Walau bagaimanapun, ia dipercayai bahawa kilat setiap tahun membunuh lebih daripada seribu orang di seluruh dunia. Sekurang-kurangnya di Amerika Syarikat, di mana statistik tersebut dikekalkan, kira-kira seribu orang mengalami serangan kilat setiap tahun dan lebih daripada seratus daripadanya mati. Para saintis telah lama cuba melindungi orang dari "hukuman Tuhan" ini. Sebagai contoh, pencipta pemeluwap elektrik pertama (jar Leyden), Peter van Mushenbrook, dalam artikel mengenai tenaga elektrik yang ditulis untuk Ensiklopedia Perancis yang terkenal, mempertahankan cara tradisional untuk menghalang kilat – lonceng dan tembakan meriam, yang difikirkannya agak berkesan.

Pada tahun 1750, Franklin mencipta konduktor kilat (konduktor kilat). Mencuba melindungi bangunan kapitol ibu kota Maryland dari serangan petir, dia melekatkan batang besi tebal ke bangunan, menjulang di atas kubah itu dengan beberapa meter dan dihubungkan ke tanah.Ahli sains enggan paten ciptaannya, menginginkan ia mula berkhidmat kepada orang secepat mungkin. Mekanisme tindakan rod kilat mudah dijelaskan jika kita ingat bahawa kekuatan medan elektrik berhampiran permukaan konduktor yang bertambah meningkat dengan peningkatan kelengkungan permukaan ini. Oleh itu, di bawah awan ribut petir berhampiran hujung batang kilat, kekuatan medan akan menjadi sangat tinggi sehingga ia akan menyebabkan pengionan udara sekitar dan pelepasan korona di dalamnya. Akibatnya, kebarangkalian kilat yang memasuki rod kilat akan meningkat dengan ketara. Jadi ilmu elektrostatik bukan hanya dibenarkan untuk menjelaskan asal-usul petir, tetapi juga untuk mencari cara untuk melindungi terhadap mereka.

Berita mengenai rod kilat Franklin cepat tersebar di seluruh Eropah, dan dia dipilih untuk semua akademi, termasuk Rusia. Walau bagaimanapun, di sesetengah negara, penduduk yang taat menemui penemuan ini dengan kemarahan. Idea bahawa seseorang dapat dengan mudah dan mudah menjinakkan senjata utama kemurkaan Allah seolah-olah menghujat. Oleh itu, di tempat-tempat yang berbeza, orang-orang dari pertimbangan yang saleh memecahkan rod kilat.

Insiden aneh terjadi pada tahun 1780 di sebuah pekan kecil di utara Perancis, di mana penduduk bandar menuntut untuk menghancurkan tiang besi tongkat kilat dan ia dibicarakan.Peguam muda yang mempertahankan tongkat petir dari serangan para ulama, membina perlindungan pada fakta bahawa kedua-dua minda manusia dan keupayaannya untuk menaklukkan daya alam adalah asal ilahi. Semua yang membantu menyelamatkan nyawa adalah untuk kebaikan – peguam muda itu berhujah. Dia memenangi proses itu dan mendapat kemasyhuran yang hebat. Nama peguamnya ialah … Maximilian Robespierre.

Nah, kini potret pencipta rod kilat adalah pembiakan yang paling diingini di dunia, kerana ia menghiasi bil terkenal dolar.

Electrostatics yang memberikan kehidupan kembali

Tenaga pelepasan kapasitor tidak hanya membawa kepada kemunculan kehidupan di Bumi, tetapi juga dapat memberikan kehidupan kembali kepada orang-orang yang sel-sel jantung telah berhenti serentak mengurangkan. Penguncupan sel-sel jantung tak segerak (kacau) dipanggil fibrilasi. Fibrillation jantung boleh dihentikan jika nadi semasa pendek dilalui melalui semua sel-selnya. Untuk melakukan ini, dua elektrod digunakan untuk dada pesakit, yang mana nadi sepuluh milisaat dalam tempoh dan amplitud sehingga beberapa puluh amperes diluluskan. Dalam kes ini, tenaga pelepasan melalui dada boleh mencapai 400 J (yang sama dengan tenaga berpotensi kettlebell paun yang dinaikkan kepada ketinggian 2.5 m).Alat yang menyediakan pelepasan elektrik, menghentikan fibrilasi jantung, dipanggil defibrilator. Defibrilator paling mudah ialah litar berayun yang terdiri daripada kapasitor dengan kapasiti 20 μF dan gegelung induktansi sebesar 0.4 Gn. Dengan mengecas kapasitor ke voltan 1-6 kV dan melepaskannya melalui gegelung dan pesakit, yang rintangannya adalah kira-kira 50 Ohms, anda boleh mendapatkan denyut semasa yang diperlukan untuk membawa pesakit kembali ke kehidupan.

Elektrostatik, memberikan cahaya

Lampu pendarfluor boleh berfungsi sebagai penunjuk mudah keamatan medan elektrik. Untuk mengesahkan ini, berada di dalam bilik gelap, gosokkan lampu dengan tuala atau selendang – hasilnya, permukaan luaran kaca lampu dicas secara positif, dan fabrik – negatif. Sebaik sahaja ini berlaku, kita akan melihat kilauan cahaya, yang muncul di tempat-tempat lampu, yang mana kita menyentuh kain yang dikenakan. Pengukuran telah menunjukkan bahawa intensiti medan elektrik di dalam lampu pendarfluor kerja adalah sekitar 10 V / m. Pada keamatan ini, elektron bebas mempunyai tenaga yang diperlukan untuk mengionkan atom merkuri di dalam lampu pendarfluor.

Rajah. 5 Cahaya lampu neon terjebak ke tanah di bawah garis kuasa voltan tinggi. Imej: "Quant"

Medan elektrik di bawah garis kuasa voltan tinggi – garis kuasa – boleh mencapai nilai yang sangat tinggi. Oleh itu, jika pada waktu malam lampu neon dimasukkan ke dalam tanah di bawah garis kuasa, maka ia akan menyala, dan cukup terang (Rajah 5). Maka dengan bantuan tenaga medan elektrostatik, anda boleh menerangi ruang di bawah garis kuasa.

Bagaimana elektrostatik memberi amaran kebakaran dan membuat pembersih asap

Dalam kebanyakan kes, apabila memilih jenis pengesan penggera kebakaran, keutamaan diberikan kepada pengesan asap, kerana kebakaran biasanya disertai dengan banyak asap, dan jenis ini pengesan yang dapat memberi amaran kepada orang di dalam bangunan tentang bahaya. Pengesan asap menggunakan pengionan atau prinsip fotoelektrik untuk mengesan asap di udara.

Dalam pengesan asap ionisasi terdapat sumber radiasi α (biasanya, americium-241), udara mengion di antara plat elektrod-logam, rintangan elektrik di antara yang sentiasa diukur menggunakan litar khas.Ion radiasi α yang menghasilkan konduktiviti antara elektrod, dan zarah asap yang hadir di sini mengikat ion, meneutralkan cas mereka dan dengan itu meningkatkan rintangan antara elektrod, yang mana litar elektrik bertindak balas, memberikan isyarat penggera. Sensor berdasarkan prinsip ini mempamerkan kepekaan yang sangat mengagumkan, bertindak balas walaupun sebelum tanda asap pertama dikesan oleh makhluk hidup. Perlu diingatkan bahawa sumber radiasi yang digunakan dalam sensor tidak menimbulkan bahaya kepada manusia, kerana sinar alfa tidak boleh lulus walaupun melalui selembar kertas dan sepenuhnya diserap oleh lapisan udara beberapa sentimeter tebal.

Keupayaan zarah habuk untuk electrify digunakan secara meluas dalam pengumpul habuk elektrostatik industri. Gas yang mengandungi, sebagai contoh, zarah jelaga, naik, melepasi jejari logam negatif, dengan hasilnya zarah-zarah ini memperolehi caj negatif. Berlanjutan untuk bangkit, zarah-zarah berada dalam medan elektrik plat positif yang mereka tertarik, selepas itu zarah jatuh ke dalam bekas khas, yang mana ia dikeluarkan secara berkala.

Bioelectrostatics

Salah satu punca asma adalah produk sisa habuk debu (Rajah 6) – serangga kira-kira 0.5 mm saiz yang tinggal di rumah kami. Kajian telah menunjukkan bahawa serangan asma disebabkan oleh salah satu protein yang dilepaskan oleh serangga ini. Struktur protein ini menyerupai ladam kuda, kedua-dua hujung yang dicas positif. Daya elok elektrostatik di antara ujung protein berbentuk tapar kuda itu menjadikan strukturnya stabil. Walau bagaimanapun, sifat protein boleh diubah dengan meneutralkan caj positifnya. Ini boleh dilakukan dengan meningkatkan kepekatan ion negatif di udara dengan bantuan mana-mana ionizer, seperti chandelier Chizhevsky (Rajah 7). Pada masa yang sama, kekerapan serangan asma menurun.

Rajah. 6 Habuk habuk yang produk sisanya menyebabkan asma. Imej: "Quant"

Elektrostatik membantu bukan sahaja meneutralkan protein yang disembelih oleh serangga, tetapi juga untuk menangkap mereka. Telah dikatakan bahawa rambut "berdiri di atas" jika anda mengenakannya. Orang boleh membayangkan apa yang serangga berlaku apabila mereka dikenakan elektrik. Rambut yang nipis di kaki mereka menyimpang ke arah yang berbeza, dan serangga kehilangan keupayaannya bergerak. Pada prinsip seperti ini berdasarkan perangkap kecoa, ditunjukkan dalam Rajah 8.Lipas tertarik dengan serbuk manis, sebelum dikenakan secara elektrostatik. Serbuk (dalam gambar itu putih) menutupi permukaan cenderung terletak di sekitar perangkap. Tertangkap pada serbuk, serangga menjadi terapung dan berguling menjadi perangkap.

Rajah. 7 Salah satu jenis chandelier Chizhevsky. Imej: "Quant"

Apa antistatik?

Pakaian, karpet, bedspreads, dan lain-lain, objek dikenakan selepas hubungan dengan objek lain, dan kadangkala hanya dengan jet udara. Di rumah dan di tempat kerja, caj yang timbul dengan cara ini sering dipanggil elektrik statik.

Rajah. 8 Perangkap elektrostatik untuk kecoa. Imej: "Quant"

Di bawah keadaan atmosfera biasa, gentian semulajadi (diperbuat daripada kapas, bulu, sutera dan viskose) menyerap kelembapan dengan baik (hidrofilik) dan oleh itu menjalankan elektrik sedikit. Apabila serat tersebut menyentuh bahan lain atau menggosoknya, caj elektrik yang berlebihan muncul di permukaan mereka, tetapi untuk masa yang sangat singkat, kerana caj segera mengalir kembali melalui gentian basah kain yang mengandungi pelbagai ion.

Tidak seperti semula jadi, serat sintetik (poliester, akrilik, polipropilena) kurang menyerap kelembapan (hidrofobik), dan di permukaannya terdapat ion mudah alih yang kurang.Apabila bahan sintetik menghubungi satu sama lain, mereka dikenakan caj yang bertentangan, tetapi kerana caj ini mengalir dengan sangat perlahan, bahan-bahan melekat antara satu sama lain, menyebabkan kesulitan dan sensasi yang tidak menyenangkan. Dengan cara ini, struktur rambut adalah sangat dekat dengan serat sintetik dan juga hidrofobik, oleh itu apabila ia bersentuhan, misalnya, dengan sikat, ia dikenakan dengan elektrik dan mula menangkis satu sama lain.

Untuk menyingkirkan elektrik statik, permukaan pakaian atau objek lain boleh dilincirkan dengan bahan yang mengekalkan kelembapan dan dengan itu meningkatkan kepekatan ion mudah alih di permukaan. Selepas rawatan ini, cas elektrik yang terhasil akan cepat hilang dari permukaan objek atau diagihkan ke atasnya. Hydrophilicity permukaan boleh ditingkatkan dengan mengoleskannya dengan bahan aktif permukaan yang molekulnya sama dengan molekul sabun – satu bahagian molekul yang sangat panjang dikenakan dan yang lain tidak. Bahan yang menghalang penampilan elektrik statik, yang dikenali sebagai agen antistatik. Sebagai contoh, habuk atau jelaga arang batu biasa adalah antistatic, oleh itu, untuk menghilangkan elektrik statik, sol karpet dan bahan upholsteri termasuk jelaga lampu yang disebut dalam komposisi impregnasi.Untuk tujuan ini, sehingga 3% serat semulajadi, dan kadang-kadang benang logam nipis, ditambah kepada bahan tersebut.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: