Электризация трением на производстве и в быту. Электрические явления в природе и технике Визуальный феномен космических лучей
Ознакомимся с некоторыми примерами практического использования явления электризации. Мы постоянно находимся в необъятном океане электрических зарядов – естественных и искусственных, создаваемых многочисленными машинами, станками и самим человеком. Такое воздействие на человека и окружающую среду может оказывать как негативное, так и полезное воздействие. ?
Генератор Ван де Граафа Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шёлковой или резиновой) ленты 1.Металлической сферы; 2. и 7. Щёток (электродов); 3. и 6. Роликов, вращающих ленту; 4. и 5. Ленты; 8.Металлического шара противоположного заряда; 9. Разряд. Электростатический генератор - устройство, в котором напряжение создается при помощи механического переноса электрических зарядов механическим транспортером.
Генераторы Ван де Граафа применялись (начальное историческое применение) в ядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц. В настоящее время по мере развития иных способов ускорения частиц их роль в ядерных исследованиях постепенно сошла практически на нет, но до сих пор они используются для моделирования процессов происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле. Ван-де-Грааф Роберт (1901–1967) американский физик. Окончил университет штата Алабама (1922 г.). Совершенствовал знания в Сорбонне и Оксфорде. В 1929 –31 гг. работал в Принстонском университете, в 1931 – 60 гг. – в Массачусетском технологическом институте.
В лазерных принтерах используется электрографический принцип создания изображения: изображение переносится на бумагу с барабана, к которому с помощью электростатического потенциала притягиваются частички краски. Отличие лазерного принтера от обычного копировального аппарата заключается в том, что печатающий барабан электризуется с помощью полупроводникового лазера по командам компьютера. Лазерный принтер Лазерный принтер
Внутри у такого аппарата находится барабан, на который наводится электрический заряд, соответствующий выводимому отпечатку. Этот заряд притягивает к себе тонер –специальный порошок (черный, или цветной в зависимости от типа принтера). Затем этот порошок переносится на лист бумаги (или на какой-либо промежуточный носитель, а только потом на бумагу). Чтобы картинка не осыпалась, лист проходит через печку – специальный нагреватель, который запекает тонер на бумаге
Заряжая частицы воздуха можно производить очистку воздуха от вредных примесей, красить автомобили, насыщать воздух полезными отрицательными ионами. Промышленные фильтры для очистки газовых выбросов от твердых частиц, не могут уловить слишком мелкие частицы. Часто после механических фильтров ставятся электрофильтры. С электродов стекает поток электронов, которые заряжают частицы пыли. Под действием электрического поля заряженные частицы осаждаются на другом электроде. Электрофильтры Электрофильтры
Слабый заряд электричества, проходя через фильтр, создает электростатическое поле, в результате чего мельчайшие частицы пыли удерживаются фильтром и не попадают в воздух, которым мы дышим. Электростатический фильтр и теплообменник с покрытием Silver Nano Технология Silver Nano объединила антибактериальные свойства серебра и современные нанотехнологии Aнтиаллергический фильтр обеспечивают свежий и безопасный воздух в помещении.
Процесс нанесения полимерной порошковой краски основан на электризации частиц краски, транспортировании их сжатым воздухом к окрашиваемому изделию, где они за счет электростатического заряда притягиваются к окрашиваемой поверхности с последующим формированием покрытия при С. Порошковое окрашивание
На современных автомобильных заводах кузова автомобилей окрашиваются в специальных камерах, где краска распыляется и одновременно электрически заряжается отрицательно, а затем оседает на кузове, заряженном положительно. Таким образом процесс покраски автоматизируется, и достигается высокая равномерность окраски.
Исследованиями советского ученого А.Л.Чижевского установлено благотворное влияние на организм человека отрицательных ионов. Для устранения дефицита отрицательно заряженных аэроионов в воздушной среде, необходимых для нормальной жизнедеятельности биообъектов используются аэроионизаторы, которые называют "люстрами Чижевского". Они используются для профилактики туберкулеза, астмы, гипертонии и гипотонии, ревматизма, гриппа, желудочно-кишечных заболеваний, ряда женских, глазных болезней. лечения ожогов, очистки воздуха от бактерий и вирусов. Электростатика в медицине
Они представляют собой лекарственные вещества в виде очень маленьких заряженных капелек, которые не слипаются в большие капли и при вдохе глубоко проникают в легкие человека, вплоть до мельчайших лёгочных ячеек- альвеол. Влияние статического электричества на организм человека и животного ещё до конца не исследовано. Но уже известно, что электрические разряды, которые возникают вследствие электризации одежды, для большинства людей безвредны, а в некоторых случаях, например при заболевании суставов, даже полезны.
Ещё в прошлом столетии были известны случаи возникновения статического (от греч. слова statos-стоящий) электричества на производстве. Например, электризовались кожаные ремни о вращающийся шкив на мукомольных мельницах. Возникающий при этом искровой заряд мог вызвать пожар и взрыв. на производствах со взрывоопасной атмосферой (мукомольные и химические заводы); на текстильных предприятиях, т.к. электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, а выработанная ткань сильно загрязняется частицами пыли, которые она притягивает; Вредные проявления электризации
При монтаже электронных схем. Радиомонтажники, работающие с чувствительными к статическому электричеству элементами, предохраняются от возможной электризации заземлением всего, с чем соприкасается человек: монтажный стол, паяльник, и даже руки монтажника заземляются с помощью специальных браслетов; при трении о воздух самолёт электризуется. Поэтому после посадки нельзя сразу же к самолёту приставлять металлический трап: может возникнуть электрический разряд и, как следствие, пожар. Сначала самолёт "разряжают": опускают на землю металлический трос, соединенный с корпусом самолёта и по металлическому тросу электрические заряды уходят в землю.
Похожие меры предосторожности используются и в автомобилях: к корпусу бензовоза прикрепляется цепь, которая волочится по земле, отводя в нее накапливающиеся заряды; такие же проводящие полоски устанавливаются и на легковых автомобилях. Для борьбы с этими явлениями применяют АНТИСТАТИКИ, вещества, понижающие статическую электризацию химических волокон, пластмасс, резин и др., напр., поверхностно-активные вещества, порошки металлов, сажа. Действие основано главным образом на повышении электрической проводимости материала, обусловливающей утечку заряда. Антистатики вводят в состав материалов при их переработке или наносят в виде растворов или эмульсий на поверхность изделий.
Физические тела являются «действующими лицами» физических явлений. Познакомимся с некоторыми из них.
Механические явления
Механические явления - это движение тел (рис. 1.3) и действие их друг на друга, например отталкивание или притяжение. Действие тел друг на друга называют взаимо действием.
С механическими явлениями мы познакомимся подробнее уже в этом учебном году.
Рис. 1.3. Примеры механических явлений: движение и взаимодействие тел во время спортивных соревнований (а, б. в); движение Земли вокруг Солнца и ее вращение вокруг собственной оси (г)
Звуковые явления
Звуковые явления, как следует из названия, - это явления, связанные со звуком. К их числу относится, например, распространение звука в воздухе или воде, а также отражение звука от различных препятствий - скажем, гор или зданий. При отражении звука возникает знакомое многим эхо.
Тепловые явления
Тепловые явления - это нагревание и охлаждение тел, а также, например, испарение (превращение жидкости в пар) и плавление (превращение твердого тела в жидкость).
Тепловые явления чрезвычайно широко распространены: так, ими обусловлен круговорот воды в природе (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Круговорот воды в природе
Нагретая солнечными лучами вода океанов и морей испаряется. Поднимаясь, пар охлаждается, превращаясь в капельки воды или кристаллики льда. Они образуют тучи, из которых вода возвращается на Землю в виде дождя или снега
Настоящая «лаборатория» тепловых явлений - кухня: варится ли суп на плите, кипит ли вода в чайнике, замораживаются ли продукты в холодильнике - все это примеры тепловых явлений.
Тепловыми явлениями обусловлена и работа автомобильного мотора: при сгорании бензина образуется очень горячий газ, который толкает поршень (деталь мотора). А движение поршня через специальные механизмы передается колесам автомобиля.
Электрические и магнитные явления
Самый яркий (в буквальном смысле слова) пример электрического явления - молния (рис. 1.5, а). Электрическое освещение и электротранспорт (рис. 1.5, б) стали возможными благодаря использованию электрических явлений. Примеры магнитных явлений - притяжение железных и стальных предметов постоянными магнитами, а также взаимодействие постоянных магнитов.
Рис. 1.5. Электрические и магнитные явления и их использование
Стрелка компаса (рис. 1.5, в) поворачивается так, что ее «северный» конец указывает на север именно потому, что стрелка является маленьким постоянным магнитом, а Земля - огромным магнитом. Северное сияние (рис. 1.5, г) вызвано тем, что летящие из космоса электрически заряженные частицы взаимодействуют с Землей как с магнитом. Электрическими и магнитными явлениями обусловлена работа телевизоров и компьютеров (рис. 1.5, д, е).
Оптические явления
Куда бы мы ни посмотрели - мы всюду увидим оптические явления (рис. 1.6). Это явления, связанные со светом.
Пример оптического явления - отражение света различными предметами. Отраженные предметами лучи света попадают нам в глаза, благодаря чему мы видим эти предметы.
Рис. 1.6. Примеры оптических явлений: Солнце излучает свет (а); Луна отражает солнечный свет (б); особенно хорошо отражают свет зеркала (в); одно из самых красивых оптических явлений - радуга (г)
1. Впервые электризация жидкости при дроблении была замечена у водопадов Швейцарии в 1 786 г. С 1913г. явление получило название баллоэлектрического эффекта. Эффект электризации наблюдается не только у водопадов на открытой местности, но и в пещерах.
Заряд воздуху у водопадов сообщают микроскопические капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от водной поверхности и уносятся в окружающую среду.
Наиболее значительный эффект электризации воздуха наблюдается у самых больших водопадов мира - Игуассу на границе Бразилии и Аргентины (высота падения воды - 190 м, ширина потока - 1 500 м) и Виктория на реке Замбези в Африке (высота падения воды - 133 м, ширина потока -1600 м). У водопада Виктория за счет дробления воды возникает электрическое поле напряженностью 25 кВ/м.
При дроблении пресной воды в воздух переходит отрицательный заряд. Поэтому в воздухе у водопадов количество отрицательных ионов превышает количество положительных.
У небольшого водопада Учан-Су в Крыму отношение отрицательных ионов к количеству положительных равно 6,2.
2. У берегов морей воздух приобретает положительный заряд, вследствие разбрызгивания соленой воды. На поверхности морей и океанов разбрызгивание воды начинается при скорости ветра более 10м/с, когда на волнах появляются гребешки пены. Отношение положительных зарядов к отрицательным зарядам в воздухе над Черным и Азовским морями достигает при бурном море 2,04, при зыби- 1,48.
3. Покоритель Джомолунгмы Н. Тенсинг в 1953 г. в районе южного седла этой горной вершины на высоте 7,9 км над уровнем моря при -30 °С и сухом ветре до 25 м/с наблюдал сильную электризацию обледеневших брезентовых палаток, вставленных одна в другую. Пространство между палатками было наполнено многочисленными электрическими искрами.
4. Движение лавин в горах в безлунные ночи иногда сопровождается зеленовато-желтым свечением, благодаря чему лавины становятся видимыми. Обычно световые явления наблюдаются у лавин, движущихся по снежной поверхности, и не наблюдаются у лавин, проносящихся по скалам. На озерах Антарктики во время полярной ночи иногда возникает свечение при разламывании крупных масс озерного льда.
5. Молния выбирает самый короткий путь к земле, поэтому попадает в здания или в деревья. Высокие здания оборудуют металлическими полосами (прутьями), по которым электрический разряд уходит в землю. Это громоотвод. Грозовой разряд идет на землю и обратно по одному и тому же пути.
Это происходит с такой скоростью, что наш глаз видит только одну вспышку. На своем пути молния раскаляет воздух, который, быстро расширяясь, создает звуковую волну. Это вызывает громовые раскаты. Мы слышим их после того, как увидим молнию, так как звук распространяется значительно медленнее, чем свет.
Статическое электричество в технике. Когда электризация тел полезна
Статическое электричество может быть верным помощником человека, если изучить его закономерности и правильно их использовать. В технике применяют метод, сущность которого заключается в следующем.
Мельчайшие твердые или жидкие частицы материала поступают в электрическое поле, где на их поверхность «оседают» электроны и ионы, т. е. частицы приобретают заряд и далее движутся под действием электрического поля.
В зависимости от назначения аппаратуры можно с помощью электрических полей по-разному управлять движением частиц в соответствии с необходимым технологическим процессом. Эта технология уже пробила себе дорогу в различные отрасли народного хозяйства.
Маляр без кисточки
Движущиеся на конвейере окрашиваемые детали, например корпус автомобиля, заряжают положительно, а частицам краски придают отрицательный заряд, и они устремляются к положительно заряженной детали. Слой краски на ней получается тонкий, равномерный и плотный.
Действительно одноименно заряженные частицы красителя отталкиваются друг от друга — отсюда равномерность окрашивающего слоя. Частицы, разогнанные электрическим полем, с силой ударяются об изделие — отсюда плотность окраски.
Расход краски снижается, так как она осаждается только на детали. Метод окраски изделий в электрическом поле сейчас широко применяют в нашей стране.
Электрические копчености
Копчение — это пропитывание продукта древесным дымом. Частицы дыма не только придают продуктам вкус, но и предохраняют их от порчи.
При электрокопчении частицы коптильного дыма заряжают положительно, а отрицательным электродом служит, например, тушка рыбы. Заряженные частички дыма оседают на поверхности тушки и частично поглощаются ею. Все электрокопчение продолжается несколько минут. Прежде копчение считалось длительным процессом.
Электрический ворс
Чтобы получить в электрическом поле слой ворса на каком-либо материале, надо материал заземлить, поверхность покрыть клеящим веществом, а затем через заряженную металлическую сетку, расположенную над этой поверхностью, пропустить порцию ворса. Ворсинки быстро ориентируются в поле и, распределяясь равномерно, оседают на клей строго перпендикулярно поверхности.
Так получают покрытия, похожие на замшу или бархат. Легко получить разноцветный узор, заготовив порции разного по цвету ворса и несколько шаблонов, которыми в процессе электроворсования прикрывают поочередно отдельные участки изделия. Так можно сделать многоцветные ковры.
Как ловят пыль
Чистый воздух нужен не только людям и особо точным производствам. Все машины из-за пыли преждевременно изнашиваются, а каналы их воздушного охлаждения засоряются. Кроме того, часто пыль, улетающая с отходящими газами, представляет собой ценное сырье. Очистка промышленных газов стала необходимостью. Практика показала, что с этим хорошо справляется электрическое поле.
По центру металлической трубы устанавливают проволоку Б, которая служит одним из электродов, вторым являются стенки трубы В. В электрическом поле газ в трубе ионизируется. Отрицательные ионы «прилипают» к частицам дыма, поступающим вместе с газом через вход А, и заряжают их.
Под воздействием поля эти частицы движутся к трубе и осаждаются на ней, а очищенный газ направляется к выходу Д. Трубу время от времени встряхивают, и уловленные частицы поступают в бункер Г. Электрические фильтры на крупных тепловых электростанциях улавливают 99% золы, содержащейся в выходных газах.
Смешение веществ
Если мелкие частицы одного вещества зарядить положительно, а другого — отрицательно, то легко получить их смесь, где частицы распределены равномерно. Например, на хлебозаводе теперь не приходится совершать большую механическую работу, чтобы замесить тесто.
Заряженные положительно крупинки муки воздушным потоком подаются в камеру, где они встречаются с отрицательно заряженными капельками воды, содержащей дрожжи. Крупинки муки и капельки воды, притягиваясь друг к другу, образуют однородное тесто.
Можно привести много других примеров полезного применения статической электризации. Основанная на этом явлении технология удобна: потоком заряженных частиц можно управлять, изменяя электрическое поле, а весь процесс легко автоматизировать.
Электричество, которым человечество научилось управлять сравнительно недавно, можно наблюдать в природе, причём в самых разнообразных и удивительных формах.
1. Вистлеры (свистовые волны)
Вистлеры ещё называют свистящими атмосфериками или электромагнитным хором рассвета за то, что звуки, которые они производят, напоминают пение птиц ранним утром. Это почти неземные звуки, образующиеся в верхних слоях атмосферы при разрядах молний, причём их можно записать даже на простейшем радиооборудовании. Существует даже такое понятие как «охотники за вистлерами», обозначающее радиолюбителей, путешествующих на дальние расстояния в районы с минимальным наличием линий электропередач и других электромагнитных помех для того, чтобы сделать чистые звуковые записи.
2. Молнии Кататумбо
Молнии Кататумбо являются самым длительным грозовым явлением на Земле. Они зафиксированы в устье реки Кататумбо (Венесуэла), а их многочасовое свечение породило немало легенд и мифов среди коренного населения. Пары метана из местных болот в сочетании с ветром со стороны Анд поднимаются в атмосферу и фактически провоцируют непрерывные удары молний. Интенсивный гром с молниями начинается сразу после наступления сумерек и продолжается около 10 часов. Сами молнии красно-оранжевого цвета можно увидеть в ясные ночи из многих стран Карибского бассейна. Это явление настолько уникально, что его собираются включить в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.
3. Грязные грозы
«Грязная гроза» – это мощное электрическое грозовое явление, формирующееся в шлейфе вулканического извержения. Что именно порождает эти массивные электрические разряды пока неизвестно, учёные предполагают, что частицы льда и пыли трутся друг о друга и вырабатывают статическое электричество, что и вызывает эти удивительные молнии необычного цвета. В течение 2011 года массовые грязные грозы наблюдались в Чили. Температура и плотность фонтанов пепла без присутствия воды, которая могла бы объяснить формирование молнии, по-прежнему делает это явление неразгаданной природной тайной.
4. Визуальный феномен космических лучей
Космические лучи зарождаются в глубоком космосе, они путешествуют в течение миллионов лет и, в конце концов, попадают на нашу планету. Эти лучи поглощаются нашей атмосферой, потому для нас они невидимы. Зато космонавты видят их даже с закрытыми глазами. Лучи воздействует иначе, чем земной свет. Космонавты миссии «Аполлон 11» описывали их как пятна и полосы, возникающие каждые три минуты. Хотя этот визуальный феномен полностью не изучен учёными, уже известно, что космические лучи движутся на высоких скоростях и проходят через космические корабли и через сетчатку глаз космонавтов.
5. Триболюминесценция
Триболюминесценции – световое явление, излучаемое из кристаллического вещества при его разрушении. На сегодняшний день считается, что через это вещество проходит электрический ток и заставляет молекулы газа, находящиеся внутри кристалла, светиться. Практическое современное использование триболюминесценции включает в себя обнаружение трещин внутри зданий, а также внутри космических аппаратов, плотин и мостов. Когда наши предки обнаружили этот источник, они приписали ему божественное происхождение. Индейские шаманы наполняли церемониальные трещотки кварцевыми кристаллами, которые светились при тряске, что придавало особую атмосферу проводимым ритуалам. Кстати, вы можете пронаблюдать этот свет в домашних условиях. Положите кусочки сахара на ровную поверхность в темном помещении и раздавите их стеклянным стаканом, чтобы увидеть синеватые вспышки света.
6. Сонолюминесценция
Сонолюминесценция, то есть выработка света звуковыми волнами, была обнаружена в 1930-е годы. Ученые впервые столкнулись с загадочными огнями, исследуя морские гидролокаторы. Когда звуковые волны проходили через воду, появлялось синее мерцание и вспышки света. Мелкие пузырьки в воде расширялись и быстро сжимались, возникало высокое давление и температура, хлопок, выработка энергии, а затем излучение света. Иными словами, звук превращался в свет. Кстати, механизм этого явления по сей день не является полностью изученным.
7. Спрайты
Спрайты – это мощные, яркие вспышки обычно красного цвета, возникающие высоко в атмосфере, выше грозовых туч, на высоте от 80 км. В диаметре они могут быть от 50 км и более. Ранее считалось, что спрайты – это разновидность молнии, но впоследствии было установлено, что это скорее определённый тип плазмы. Спрайты напоминают большую красную медузу с длинными синими щупальцами. Их сложно сфотографировать с земли, но есть много снимков, сделанных с самолетов.
8. Шаровая молния
Оказывается, что шаровые молнии как явление стали восприниматься всерьез только в 60-х годах, хотя их появление фиксировалось постоянно в течение многих столетий. Эти странные шары могут различаться по размерам: от горошины до небольшого автобуса. Трещащие, шипящие, яркие шары возникают во время грозы, в некоторых случаях они могут спонтанно и громко взрываться. Одна из самых странных тайн шаровой молнии – это её «разумное» поведение. Она влетает в здания через дверные проемы или окна и путешествует по комнатам, огибая столы, стулья и прочие предметы. Происхождение шаровых молний до сих пор тщательно изучается, но к единому мнению учёные так ещё и не пришли.
9. Огни святого Эльма
Еще во времена Колумба Огни святого Эльма считались сверхъестественным явлением. Моряки часто рассказывали о ярко-синем или фиолетовом свечении вокруг корабля. Свечение напоминало мерцающие на ветру языки пламени вокруг мачт. Внезапное появление Огней святого Эльма считалось добрым предзнаменованием, поскольку странный пучкообразный свет возникал перед окончанием мощных штормов. Наука имеет своё объяснение этому странному свечению. Разница в напряжении между воздушной атмосферой и морем вызывает ионизацию газов, которые начинают светиться. Кстати, Огни святого Эльма были также замечены на церковных шпилях, крыльях самолетов и даже рогах крупного скота.
10. Северное сияние
Полярные (северные) сияния – это изумительные световые явления, возникающие в ночном небе. Аврора Бореалис в северном полушарии и Аврора Австралис в южном полушарии получили свои имена от римской богини рассвета. Они выглядят как волнистая, светящаяся завеса зелёного цвета, хотя были также зафиксированы сияния красного, розового, желтого и изредка синего цветов. Причина земных Аврор заключается в том, что заряжённые частицы, высвобождаемые из атмосферы Солнца, сталкиваются с частицами газа в атмосфере Земли, и в результате мы становимся свидетелями впечатляющего природного светового шоу.
Текст:
