Co może elektrostatyki

Co może elektrostatyki

Konstantin Bogdanov
"Kvant" №2, 2010

… Wszystkie prognozy elektrostatyczne wynikają z dwóch praw.
Jest jedna rzecz, aby wyrazić te rzeczy matematycznie, i zupełnie inny –
zastosuj je z łatwością iz koniecznym udziałem dowcipu.

Richard Feynman

Elektrostatyka bada interakcje ładunków stałych. Kluczowe eksperymenty elektrostatyczne przeprowadzono w XVII-XVIII wieku. Wraz z odkryciem zjawiska elektromagnetyczne i że rewolucja w technologii, którą wyprodukowali zainteresowanie elektrostatyki na jakiś czas został stracony. Jednak ostatnie badania naukowe wskazują na ogromne znaczenie elektrostatycznego dla zrozumienia wielu procesów przyrody ożywionej i nieożywionej.

Elektrostatyka i życie

W 1953 amerykańskich naukowców S. Miller G. Jyri wykazały, że niektóre z „bloków życia” – amino – mogą być otrzymane przez przepuszczanie wyładowania elektrycznego w gazie, o podobnym składzie prymitywny atmosfery ziemskiej, składającą się z metanu, amoniaku, wodoru i pary woda. W ciągu najbliższych 50 lat, inni naukowcy powtórzyli eksperyment i dostał takie same wyniki. Przepuszczając krótkie impulsy prądu przez bakterie w osłonie (membrana) występują pory, przez które może przejść wewnątrz fragmentów DNA z innych bakterii, włączenia jednego z mechanizmów ewolucji.Tak więc energia potrzebna do powstania życia na Ziemi i jej ewolucji mogłaby rzeczywiście być energią elektrostatyczną wyładowań piorunowych (ryc. 1).

Ryc. 1. Błyskawica rozładowania. Zdjęcie: "Quant"

Jak elektrostatyka powoduje piorun

Około 2000 uderzeń piorunów w różnych punktach Ziemi w danym momencie, około 50 piorunów uderza w Ziemię co sekundę, każdy kilometr kwadratowy powierzchni Ziemi jest uderzany piorunem sześć razy w roku. Jeszcze w XVIII wieku Benjamin Franklin udowodnił, że uderzenia pioruna z chmur burzowych są wyładowaniami elektrycznymi przenoszonymi na Ziemię. negatywny ładować Ponadto, każde z wyładowań zasila Ziemię kilkoma tuzinami wisiorków energii elektrycznej, a amplituda prądu po uderzeniu pioruna wynosi od 20 do 100 kiloamperów. Szybka fotografia pokazała, że ​​wyładowanie błyskawic trwa tylko kilka dziesiątych sekundy i że każda błyskawica składa się z kilku krótszych.

Przy pomocy przyrządów pomiarowych zainstalowanych na sondach atmosferycznych, na początku XX wieku zmierzono pole elektryczne Ziemi;Nośnikami ładunku w ziemskiej atmosferze są jony, których koncentracja wzrasta wraz z wysokością i osiąga maksimum na wysokości 50 km, gdzie pod działaniem promieniowania kosmicznego powstała warstwa przewodząca prąd elektryczny, jonosfera. Dlatego można powiedzieć, że pole elektryczne Ziemi to pole kondensatora sferycznego o przyłożonym napięciu około 400 kV. Pod wpływem tego napięcia prąd o natężeniu 2-4 kA przepływa cały czas z górnych warstw do niższych warstw, których gęstość wynosi (1-2) · 10-12 A / m2a energia jest uwalniana do 1,5 GW. A jeśli nie byłoby błyskawicy, to pole elektryczne zniknie! Okazuje się, że przy dobrej pogodzie kondensator elektryczny Ziemi rozładowuje się, a podczas burzy ładuje się.

Chmura burzowa to ogromna ilość oparów, których część skondensowała się w postaci maleńkich kropelek lub kry. Góra burzowa może znajdować się na wysokości 6-7 km, a dno może wisieć nad ziemią na wysokości 0,5-1 km. Powyżej 3-4 km chmury składają się z kry o różnej wielkości, ponieważ temperatura jest zawsze poniżej zera. Te kawałki lodu są w ciągłym ruchu, spowodowane wznoszącymi się prądami ciepłego powietrza wznoszącego się poniżej ogrzewanej powierzchni ziemi.Małe kawałki lodu są lżejsze niż duże i uzależniają się od rosnących prądów powietrza i po drodze napotykają duże. Przy każdej takiej kolizji następuje elektryzacja, w której duże kawałki lodu są naładowane ujemnie, a małe – pozytywnie. Z biegiem czasu dodatnio naładowane małe kawałki lodu gromadzą się głównie w górnej części chmury, a ujemnie naładowane duże – u dołu (ryc. 2). Innymi słowy, szczyt chmury ładuje się pozytywnie, a dno ujemnie. W tym samym czasie na ziemi bezpośrednio pod chmurą burzową powstają ładunki dodatnie. Teraz wszystko jest gotowe do wyładowania pioruna, w którym następuje rozpad powietrza i ładunek ujemny z dna chmury burzowej przepływa na Ziemię.

Ryc. 2 Schematyczne przedstawienie rozdzielania ładunków elektrycznych w burzowej plamie i pojawianie się ładunków dodatnich na ziemi pod chmurą (z powodu indukcji elektrostatycznej) przed wyładowaniem piorunowym. Zdjęcie: "Quant"

Charakterystyczne jest, że przed burzą intensywność pola elektrycznego Ziemi może osiągnąć 100 kV / m, tj. 1000 razy większą wartość przy dobrej pogodzie.W rezultacie ładunek dodatni każdego włosa na głowie osoby stojącej pod chmurą burzową wzrasta o tę samą wielkość, a one, odpychając się od siebie, stoją na końcu (ryc. 3).

Ryc. 3 Jak zdobyć włosy w silnym polu elektrycznym. Zdjęcie: "Quant"

Fulgurit – ślad błyskawicy na ziemi

Kiedy piorun jest rozładowany, energia około 10 zostaje uwolniona.9-1010 J. Większość tej energii zużywana jest na grzmoty, ogrzewanie powietrza, błysk światła i emisję innych fal elektromagnetycznych, a tylko niewielka część jest emitowana w miejscu, w którym błyskawica wchodzi na ziemię. Ale ta "mała" część wystarczy, by spowodować pożar, zabić osobę lub zniszczyć budynek. Błyskawica może podgrzać kanał, przez który przemieszcza się do 30 000 ° C, czyli znacznie więcej niż temperatura topnienia piasku (1600-2000 ° C). Dlatego piorun, wpadając w piasek, topi go, a ogrzane powietrze i para wodna, rozszerzając się, tworzą rurę ze stopionego piasku, który zamarza po chwili. Tak rodzą się fulgurity (strzały gromu, cholerne palce) – wydrążone cylindry wykonane ze stopionego piasku (ryc. 4). Najdłuższy z wykopanych fulgurytów zszedł do podziemia na głębokość większą niż pięć metrów.

Ryc. 4 Fulgurit, znalezione przez autora artykułu w rejonie Krylatskoje (Moskwa); dla skali na tym samym zdjęciu pokazano monetę o nominale 5 rubli. Zdjęcie: "Quant"

Jak elektrostatyka chroni przed uderzeniem pioruna

Na szczęście większość wyładowań atmosferycznych występuje pomiędzy chmurami i dlatego nie zagraża zdrowiu ludzkiemu. Uważa się jednak, że co roku piorun zabija ponad tysiąc osób na całym świecie. Przynajmniej w Stanach Zjednoczonych, gdzie takie statystyki są utrzymywane, co roku około tysiąca ludzi cierpi z powodu piorunów, a ponad setka z nich umiera. Naukowcy od dawna próbowali chronić ludzi przed tą "karą Bożą". Na przykład wynalazca pierwszego skraplacza elektrycznego (słoik Leydena), Peter van Mushenbrook, w artykule na temat elektryczności napisanym dla słynnej francuskiej encyklopedii, bronił tradycyjnych sposobów zapobiegania uderzeniom piorunów i strzelania z armat, które uważał za całkiem skuteczne.

W 1750 r. Franklin wynalazł przewód odgromowy (przewód odgromowy). Próbując chronić stolicę stolicy stanu Maryland przed uderzeniem pioruna, przymocował do budynku gęsty żelazny pręt, górujący nad kopułą o kilka metrów i połączony z ziemią.Naukowiec odmówił opatentowania swojego wynalazku, chcąc, aby zaczął on służyć ludziom tak szybko, jak to możliwe. Mechanizm działania piorunochronu można łatwo wyjaśnić, jeśli przypomnimy sobie, że natężenie pola elektrycznego w pobliżu powierzchni naładowanego przewodnika wzrasta wraz ze wzrostem krzywizny tej powierzchni. Dlatego pod chmurą burzową w pobliżu wierzchołka piorunochronu natężenie pola będzie tak wysokie, że spowoduje jonizację otaczającego powietrza i wyładowanie koronowe w nim. W rezultacie prawdopodobieństwo uderzenia pioruna w piorunochron znacznie wzrośnie. Tak więc znajomość elektrostatyki nie tylko pozwoliła wyjaśnić pochodzenie błyskawicy, ale także znaleźć sposób, aby się przed nią uchronić.

Wieści o piorunochronie Franklina szybko rozprzestrzeniły się po całej Europie, a on został wybrany do wszystkich akademii, w tym rosyjskiej. Jednak w niektórych krajach pobożna populacja spotkała się z tym oburzeniem. Sam pomysł, że osoba może tak łatwo i prosto oswoić główną broń Bożego gniewu, wydawał się bluźnierczy. Dlatego w różnych miejscach ludzie z pobożnych względów złamali pioruny.

Ciekawy incydent miał miejsce w 1780 roku w małym miasteczku na północy Francji, gdzie mieszkańcy domagali się wyburzenia żelaznego masztu piorunochronu i doszło do procesu.Młody prawnik, który bronił piorunochronu przed atakami obskurantów, zbudował ochronę na tym, że zarówno ludzki umysł, jak i jego zdolność do podboju sił natury mają boskie pochodzenie. Wszystko, co pomaga ratować życie, jest dla dobra – argumentował młody prawnik. Wygrał proces i zyskał wielką sławę. Imię prawnika brzmiało … Maximilian Robespierre.

Cóż, teraz portret wynalazcy piorunochronu jest najbardziej pożądaną reprodukcją na świecie, ponieważ zdobi znanego setkę dolarów.

Elektrostatyki, które przywracają życie

Energia wyładowania kondensatora nie tylko doprowadziła do powstania życia na Ziemi, ale może również przywrócić życie ludziom, których komórki serca przestały synchronicznie zmniejszać. Asynchroniczny (chaotyczny) skurcz komórek serca nazywany jest migotaniem. Migotanie serca można zatrzymać, jeśli krótkotrwały impuls prądowy przechodzi przez wszystkie jego komórki. W tym celu na klatkę piersiową pacjenta nakłada się dwie elektrody, przez które przepuszczany jest puls o długości około 10 milisekund i amplituda do kilkudziesięciu amperów. W tym przypadku energia rozładowania przez skrzynię może osiągnąć 400 J (co jest równe energii potencjalnej funta kettlebell podniesionego do wysokości 2,5 m).Urządzenie, które zapewnia wyładowanie elektryczne, zatrzymując migotanie serca, nazywa się defibrylatorem. Najprostszym defibrylatorem jest obwód oscylacyjny składający się z kondensatora o pojemności 20 μF i cewki indukcyjnej 0,4 Gn. Poprzez ładowanie kondensatora do napięcia 1-6 kV i rozładowywanie go przez cewkę i pacjenta, którego opór wynosi około 50 omów, można uzyskać impuls prądowy niezbędny do przywrócenia pacjenta do życia.

Elektrostatyka, dając światło

Świetlówka może służyć jako wygodny wskaźnik natężenia pola elektrycznego. Aby to sprawdzić, będąc w ciemnym pokoju, pocierać lampę ręcznikiem lub szalikiem – w rezultacie zewnętrzna powierzchnia szklanej lampy jest ładowana dodatnio, a tkanina – negatywnie. Jak tylko to się stanie, zobaczymy błyski światła, pojawiające się w tych miejscach lampy, do których dotykamy naładowanej tkaniny. Pomiary wykazały, że natężenie pola elektrycznego wewnątrz działającej lampy fluorescencyjnej wynosi około 10 V / m. Przy tej intensywności wolne elektrony mają energię potrzebną do zjonizowania atomów rtęci wewnątrz lampy fluorescencyjnej.

Ryc. 5 Blask lamp fluorescencyjnych przyklejonych do ziemi pod liniami wysokiego napięcia. Zdjęcie: "Quant"

Pole elektryczne pod liniami wysokiego napięcia – linie energetyczne – może osiągnąć bardzo wysokie wartości. Dlatego, jeśli w nocy lampa fluorescencyjna zostanie włożona do ziemi pod liniami energetycznymi, wówczas zapali się i całkiem jasno (rys. 5). Tak więc za pomocą energii pola elektrostatycznego można oświetlić przestrzeń pod liniami energetycznymi.

Jak elektrostatyka ostrzega przed ogniem i czyści dym

W większości przypadków przy wyborze typu wykrywacza alarmu pożarowego preferowane jest wykrywanie dymu, ponieważ pożarowi zwykle towarzyszy duża ilość dymu i to właśnie ten typ wykrywacza ostrzega ludzi w budynku o niebezpieczeństwie. Czujki dymu wykorzystują jonizację lub zasadę fotoelektryczną do wykrywania dymu w powietrzu.

W jonizacyjnych czujnikach dymu znajduje się źródło promieniowania α (zazwyczaj americium-241), powietrze jonizujące pomiędzy elektrodami metalowymi, którego rezystancja elektryczna jest stale mierzona za pomocą specjalnego obwodu.Wytworzone jony α-promieniowania zapewniają przewodność między elektrodami i wydaje się tam mikrocząstki dymu wiązania jonów, ich neutralizacji ładunku, a tym samym zwiększenie rezystancji pomiędzy elektrodami, który reaguje z obwodu elektrycznego zasilającego alarm. Czujniki oparte na tej zasadzie wykazują bardzo imponującą czułość, reagując nawet zanim pierwsza istota dymu zostanie wykryta przez istotę żywą. Należy zauważyć, że źródło promieniowania stosowane w czujniku nie stanowi żadnego zagrożenia dla ludzi, ponieważ promienie alfa nie mogą przejść nawet przez arkusz papieru i są całkowicie pochłaniane przez warstwę powietrza o grubości kilku centymetrów.

Zdolność cząstek pyłu do elektryzowania jest szeroko stosowana w przemysłowych odpylaczach elektrostatycznych. Gaz zawierający, na przykład, cząsteczki sadzy, wznoszące się, przechodzi przez ujemnie naładowaną metalową siatkę, w wyniku czego cząstki te uzyskują ładunek ujemny. Kontynuując wzrost, cząsteczki znajdują się w polu elektrycznym dodatnio naładowanych płyt, do których są przyciągane, po czym cząstki wpadają do specjalnych pojemników, z których są okresowo usuwane.

Bioelektrostatyka

Jedną z przyczyn astmy są odpady roztoczy (ryc. 6) – owady o wielkości około 0,5 mm zamieszkujące nasz dom. Badania wykazały, że ataki astmy są spowodowane przez jedno z białek uwalnianych przez te owady. Struktura tego białka przypomina podkowę, której oba końce są naładowane dodatnio. Elektrostatyczne siły odpychające pomiędzy końcami takiego białka w kształcie podkowy sprawiają, że jego struktura jest stabilna. Jednak właściwości białka można zmienić neutralizując jego ładunki dodatnie. Można to osiągnąć zwiększając stężenie jonów ujemnych w powietrzu za pomocą dowolnego jonizatora, takiego jak żyrandol Chizhevsky (ryc. 7). Jednocześnie zmniejsza się częstotliwość ataków astmy.

Ryc. 6 Roztocza, których produkty przemiany materii powodują astmę. Zdjęcie: "Quant"

Elektrostatyka pomaga nie tylko neutralizować białka wydzielane przez owady, ale także je łapać. Mówiono już, że włosy "stoją na końcu", jeśli je naładujesz. Można sobie wyobrazić, co robią owady, gdy są naładowane elektrycznie. Najcieńsze włosy na łapach rozchodzą się w różnych kierunkach, a owady tracą zdolność poruszania się. Na takiej zasadzie opiera się pułapka na karalucha, pokazana na rysunku 8.Karaluchy są przyciągane przez słodki proszek, naładowany elektrostatycznie. Proszek (na zdjęciu jest biały) pokrywa pochyłą powierzchnię znajdującą się wokół pułapki. Złapany na proszek, owady zostają naładowane i wtaczają się w pułapkę.

Ryc. 7 Jeden z rodzajów żyrandoli Chizhevsky. Zdjęcie: "Quant"

Co to jest antystatyczny?

Odzież, dywany, narzuty itp., Przedmioty ładuje się po kontakcie z innymi przedmiotami, a czasami po prostu za pomocą strumienia powietrza. W domu i w pracy koszty, które powstają w ten sposób, często nazywane są elektrycznością statyczną.

Ryc. 8 Pułapka elektrostatyczna dla karaluchów. Zdjęcie: "Quant"

W normalnych warunkach atmosferycznych włókna naturalne (wykonane z bawełny, wełny, jedwabiu i wiskozy) dobrze wchłaniają wilgoć (hydrofilowo), przez co nieznacznie przewodzą elektryczność. Gdy takie włókna dotykają innych materiałów lub ocierają się o nie, nadmierne ładunki elektryczne pojawiają się na ich powierzchniach, ale przez bardzo krótki czas, ponieważ ładunki natychmiast płyną z powrotem przez wilgotne włókna tkaniny zawierające różne jony.

W przeciwieństwie do naturalnych włókien syntetycznych (poliester, akryl, polipropylen) słabo pochłaniają wilgoć (hydrofobowość), a na ich powierzchniach występuje mniej mobilnych jonów.Gdy materiały syntetyczne stykają się ze sobą, naładowane są przeciwnymi ładunkami, ale ponieważ ładunki te przepływają bardzo powoli, materiały przyklejają się do siebie, powodując niedogodności i nieprzyjemne odczucia. Nawiasem mówiąc, struktura włosa jest bardzo zbliżona do włókien syntetycznych i jest również hydrofobowa, dlatego gdy wchodzi w kontakt, na przykład za pomocą grzebienia, jest naładowana energią elektryczną i zaczyna odpychać się nawzajem.

Aby pozbyć się elektryczności statycznej, powierzchnia odzieży lub innego przedmiotu może być nasmarowana substancją zatrzymującą wilgoć, a tym samym zwiększającą stężenie ruchomych jonów na powierzchni. Po tym zabiegu wynikowy ładunek elektryczny szybko zniknie z powierzchni obiektu lub zostanie rozłożony na nim. Hydrofilowość powierzchni może zostać zwiększona poprzez rozmazanie jej substancjami powierzchniowo czynnymi, których cząsteczki są podobne do cząsteczek mydła – jedna część bardzo długiej cząsteczki jest naładowana, a druga nie. Substancje, które zapobiegają pojawianiu się elektryczności statycznej, zwane środkami antystatycznymi. Na przykład, zwykły pył węglowy lub sadza jest antystatyczna, dlatego też w celu pozbycia się elektryczności statycznej, wykładziny dywanowe i materiały tapicerskie obejmują tak zwaną sadzę lampy w kompozycji impregnacyjnej.Do takich celów dodaje się do 3% włókien naturalnych, a czasami cienkich nitek metalowych.


Like this post? Please share to your friends:

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