Điều gì có thể tĩnh điện

Điều gì có thể tĩnh điện

Konstantin Bogdanov
"Kvant" №2, 2010

… Tất cả các dự đoán tĩnh điện theo sau hai luật của nó.
Nhưng có một điều là diễn đạt những điều này một cách toán học, và một thứ khác –
áp dụng chúng một cách dễ dàng và với sự chia sẻ cần thiết của wit.

Richard Feynman

Điện học nghiên cứu sự tương tác của các chi phí cố định. Các thí nghiệm tĩnh điện chính được thực hiện trong thế kỷ XVII-XVIII. Với việc khám phá các hiện tượng điện từ và cuộc cách mạng trong công nghệ mà chúng tạo ra, sự quan tâm đến tĩnh điện đã bị mất một thời gian. Tuy nhiên, nghiên cứu khoa học hiện đại cho thấy tầm quan trọng lớn của tĩnh điện cho sự hiểu biết nhiều quá trình animate và inanimate tự nhiên.

Tĩnh điện và cuộc sống

Năm 1953, các nhà khoa học Mỹ, S. Miller và G. Urey đã chứng minh rằng một trong những "khối xây dựng sự sống" – các axit amin – có thể thu được bằng cách truyền một dòng điện qua khí gần với thành phần của bầu khí quyển, bao gồm mêtan, amoniac, hydro và hơi nước. Trong 50 năm tới, các nhà nghiên cứu khác đã lặp lại các thí nghiệm này và thu được kết quả tương tự. Khi xung hiện tại ngắn đi qua vi khuẩn, lỗ chân lông xuất hiện trong màng tế bào của chúng, qua đó các đoạn ADN của các vi khuẩn khác có thể đi qua, gây ra một trong những cơ chế tiến hóa.Do đó, năng lượng cần thiết cho nguồn gốc của sự sống trên Trái đất và sự tiến hóa của nó thực sự có thể là năng lượng tĩnh điện của sét thải (Hình 1).

Hình 1. Sét xả. Hình ảnh: "Quant"

Làm thế nào tĩnh điện gây sét

Khoảng 2000 tia chớp tại các điểm khác nhau của Trái đất tại bất kỳ thời điểm nào, khoảng 50 tia sét đánh vào Trái đất mỗi giây, mỗi km vuông của bề mặt Trái đất bị sét đánh sáu lần một năm. Trở lại thế kỷ 18, Benjamin Franklin đã chứng minh rằng sét đánh từ những đám mây giông bão là những chất phóng điện mang trái đất. tiêu cực phí Ngoài ra, mỗi lần xả thải cung cấp cho Trái Đất vài chục mặt dây chuyền điện, và biên độ của dòng điện khi sét đánh dao động từ 20 đến 100 kilômét. Chụp ảnh tốc độ cao cho thấy sự phóng điện sét chỉ kéo dài một phần mười giây, và mỗi tia sét bao gồm một số sét ngắn hơn.

Với sự giúp đỡ của các dụng cụ đo được lắp đặt trên đầu dò khí quyển, vào đầu thế kỷ 20, điện trường của Trái Đất được đo, cường độ của bề mặt đó lên tới khoảng 100 V / m, tương ứng với tổng điện tích của hành tinh khoảng 400.000 Cl.Các sóng mang điện tích trong bầu khí quyển của Trái đất là các ion, có nồng độ tăng theo độ cao và đạt tới cực đại ở độ cao 50 km, trong đó, dưới tác động của bức xạ vũ trụ, một lớp dẫn điện được hình thành – tầng điện ly. Do đó, có thể nói rằng điện trường của Trái đất là một trường của tụ điện hình cầu với điện áp áp dụng khoảng 400 kV. Dưới tác động của điện áp này, dòng điện từ 2-4 kA chảy suốt từ tầng trên đến tầng thấp hơn, mật độ trong đó là (1-2) · 10-12 A / m2và năng lượng được giải phóng tới 1.5 GW. Và nếu không có sét, điện trường này sẽ biến mất! Hóa ra trong thời tiết tốt, tụ điện điện của Trái đất thải ra, và trong một cơn giông bão – nó bị tính phí.

Một tiếng sấm sét là một lượng lớn hơi nước, một phần trong đó đã ngưng tụ dưới dạng những giọt nhỏ hoặc những tảng băng. Đỉnh của một tiếng sấm sét có thể ở độ cao 6-7 km, và đáy có thể treo trên mặt đất ở độ cao 0,5-1 km. Trên 3-4 km những đám mây bao gồm những tảng băng có kích thước khác nhau, vì nhiệt độ luôn dưới 0. Những mảnh băng này liên tục chuyển động, gây ra bởi các dòng tăng dần của không khí ấm lên trên bề mặt nóng của trái đất.Những miếng băng nhỏ nhẹ hơn những tảng băng lớn, và chúng bị nghiện những luồng không khí đang gia tăng và dọc theo cách chúng liên tục gặp phải những dòng khí lớn. Với mỗi va chạm như vậy, điện khí hóa xảy ra, trong đó phần lớn của băng được tích điện âm, và những mảnh nhỏ – tích cực. Theo thời gian, các mảnh băng nhỏ tích điện tích tụ tập trung chủ yếu ở phần trên của đám mây và các hạt băng lớn được tích điện âm – ở phía dưới (Hình 2). Nói cách khác, phần trên của đám mây tích điện dương và đáy tiêu cực. Đồng thời trên mặt đất ngay bên dưới các khoản phí tích cực thundercloud được gây ra. Bây giờ mọi thứ đã sẵn sàng cho việc phóng sét, trong đó có một sự phân hủy của không khí và một điện tích âm từ đáy của sấm sét chảy xuống Trái đất.

Hình 2 Một biểu diễn sơ đồ về việc tách điện tích trong một tiếng sấm sét và sự xuất hiện của các điện tích dương trên mặt đất bên dưới đám mây (do cảm ứng tĩnh điện) trước khi xả sét. Hình ảnh: "Quant"

Đó là đặc điểm mà trước khi có giông bão cường độ của điện trường Trái Đất có thể đạt tới 100 kV / m, tức là gấp 1000 lần giá trị của nó trong thời tiết tốt.Kết quả là, điện tích dương của từng sợi tóc trên đầu của một người đứng dưới một tiếng sấm sét tăng lên cùng một lượng, và họ đẩy nhau ra xa, đứng trên đầu (Hình 3).

Hình 3 Làm thế nào để có được mái tóc trong một lĩnh vực điện mạnh mẽ. Hình ảnh: "Quant"

Fulgurit – một dấu vết của sét trên mặt đất

Khi sét được thải ra, năng lượng khoảng 10 được phóng thích.9-1010 J. Phần lớn năng lượng này được dùng để sấm sét, làm nóng không khí, đèn flash và phát ra các sóng điện từ khác, và chỉ một phần nhỏ được phát ra ở nơi sét đánh vào mặt đất. Nhưng phần “nhỏ” này là đủ để gây ra hỏa hoạn, giết một người hoặc phá hủy một tòa nhà. Sét có thể làm nóng kênh thông qua đó nó di chuyển lên đến 30.000 ° C, cao hơn nhiều so với điểm nóng chảy của cát (1600-2000 ° C). Vì vậy, sét, rơi vào cát, làm tan chảy nó, và không khí nóng và hơi nước, mở rộng, tạo thành một ống cát nóng chảy, đóng băng sau một thời gian. Đây là cách fulgurites được sinh ra (mũi tên sấm sét, ngón tay chết tiệt) – xylanh rỗng làm bằng cát tan chảy (Hình 4). Dài nhất của fulgurites khai quật đã đi ngầm đến độ sâu hơn năm mét.

Hình 4 Fulgurit, được tìm thấy bởi tác giả của bài viết trong khu vực Krylatskoye (Moscow); cho tỷ lệ trên cùng một bức ảnh, một đồng xu năm rúp được hiển thị. Hình ảnh: "Quant"

Làm thế nào tĩnh điện bảo vệ chống sét

May mắn thay, hầu hết các vụ phóng sét xảy ra giữa các đám mây và do đó không đe dọa sức khỏe con người. Tuy nhiên, người ta tin rằng mỗi năm sét đánh chết hơn một nghìn người trên khắp thế giới. Ít nhất là ở Hoa Kỳ, nơi mà số liệu thống kê như vậy được duy trì, khoảng một nghìn người bị sét đánh mỗi năm và hơn một trăm người chết. Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng bảo vệ con người khỏi "sự trừng phạt của Đức Chúa Trời" này. Ví dụ, nhà phát minh ra bình ngưng điện đầu tiên (Leyden jar), Peter van Mushenbrook, trong một bài viết về điện viết cho Bách khoa toàn thư Pháp nổi tiếng, bảo vệ những cách truyền thống chống sét và bắn pháo, mà ông nghĩ là khá hiệu quả.

Năm 1750, Franklin phát minh ra dây dẫn sét (dây dẫn sét). Cố gắng bảo vệ tòa nhà thủ đô của thủ đô Maryland khỏi một cú sét đánh, anh ta gắn một thanh sắt dày vào tòa nhà, cao chót vót trên mái vòm vài mét và nối với mặt đất.Nhà khoa học từ chối sáng chế phát minh của mình, muốn nó bắt đầu phục vụ mọi người càng sớm càng tốt. Cơ chế tác động của một thanh thu lôi rất dễ giải thích nếu chúng ta nhớ lại cường độ điện trường gần bề mặt của dây dẫn có điện tăng với độ cong tăng của bề mặt này. Do đó, dưới một đám mây giông gần đầu cột thu lôi, cường độ trường sẽ cao đến mức nó sẽ gây ra sự ion hóa của không khí xung quanh và sự phóng điện trong đó. Kết quả là, khả năng sét đánh vào cột thu lôi sẽ tăng lên đáng kể. Vì vậy, kiến ​​thức về tĩnh điện không chỉ cho phép giải thích nguồn gốc của sét, mà còn để tìm cách bảo vệ chống lại chúng.

Tin tức về thanh thu lôi của Franklin nhanh chóng lan rộng khắp châu Âu, và ông được bầu vào tất cả các học viện, kể cả người Nga. Tuy nhiên, ở một số quốc gia, dân số mộ đạo đã gặp phát minh này với sự phẫn nộ. Chính ý tưởng rằng một người có thể dễ dàng và đơn giản chế ngự vũ khí chính của cơn thịnh nộ của Đức Chúa Trời dường như báng bổ. Vì vậy, ở những nơi khác nhau, những người từ những cân nhắc đạo đức đã phá vỡ các thanh thu lôi.

Một sự cố kỳ lạ xảy ra vào năm 1780 tại một thị trấn nhỏ ở phía bắc nước Pháp, nơi những người dân thị trấn yêu cầu phá hủy cột sắt của một cột thu lôi và nó đã được đưa ra xét xử.Luật sư trẻ, người bảo vệ thanh chống sét từ các cuộc tấn công của kẻ che khuất, được xây dựng bảo vệ trên thực tế là cả tâm trí con người và khả năng chinh phục các lực lượng của thiên nhiên đều có nguồn gốc thần thánh. Mọi thứ giúp cứu mạng sống là vì điều tốt – luật sư trẻ lập luận. Ông đã giành được quá trình và đạt được danh tiếng tuyệt vời. Tên của luật sư là … Maximilian Robespierre.

Vâng, bây giờ bức chân dung của người phát minh ra thanh thu lôi là sinh sản mong muốn nhất trên thế giới, bởi vì nó tô điểm cho dự luật trăm đô la nổi tiếng.

Electrostatics cung cấp cho cuộc sống trở lại

Năng lượng của việc xả tụ điện không chỉ dẫn đến sự xuất hiện của sự sống trên Trái Đất, mà còn có thể cung cấp sự sống cho những người có các tế bào tim ngừng giảm đồng bộ. Sự co bóp không đồng bộ (hỗn loạn) của các tế bào tim được gọi là rung. Rung tim có thể dừng lại nếu xung hiện tại ngắn đi qua tất cả các tế bào của nó. Để làm điều này, hai điện cực được áp dụng cho ngực của bệnh nhân, thông qua đó một xung khoảng mười mili giây trong thời gian và biên độ lên đến vài chục ampe được thông qua. Đồng thời, năng lượng xả qua ngực có thể đạt tới 400 J (tương đương với năng lượng tiềm năng của một tạ tạ được nâng lên độ cao 2,5 m).Một thiết bị cung cấp sự phóng điện, ngừng rung tim, được gọi là máy khử rung tim. Máy khử rung tim đơn giản nhất là mạch dao động bao gồm một tụ điện có công suất 20 μF và cuộn cảm 0,4 Gn. Bằng cách sạc tụ điện đến một điện áp 1-6 kV và xả nó qua cuộn dây và bệnh nhân, có điện trở khoảng 50 Ohms, bạn có thể nhận được một xung hiện tại cần thiết để đưa bệnh nhân trở lại cuộc sống.

Tĩnh điện, cho ánh sáng

Đèn huỳnh quang có thể phục vụ như một chỉ báo thuận tiện về cường độ của điện trường. Để xác minh điều này, đang ở trong một căn phòng tối, chà đèn bằng khăn hoặc khăn – kết quả là mặt ngoài của kính đèn được tích điện dương, và vải – âm. Ngay sau khi điều này xảy ra, chúng ta sẽ thấy những tia sáng, xuất hiện ở những nơi của ngọn đèn, mà chúng ta chạm vào miếng vải được sạc. Các phép đo đã chỉ ra rằng cường độ điện trường bên trong một đèn huỳnh quang làm việc là khoảng 10 V / m. Ở cường độ này, các electron tự do có năng lượng cần thiết để ion hóa các nguyên tử thủy ngân bên trong một bóng đèn huỳnh quang.

Hình 5 Phát sáng các bóng đèn huỳnh quang bị kẹt xuống đất dưới đường dây điện cao áp. Hình ảnh: "Quant"

Điện trường dưới đường dây điện cao áp – đường dây điện – có thể đạt giá trị rất cao. Do đó, nếu vào ban đêm, đèn huỳnh quang được đưa vào mặt đất dưới đường dây điện, đèn sẽ sáng lên và khá sáng (Hình 5). Vì vậy, với sự giúp đỡ của năng lượng của trường tĩnh điện, bạn có thể thắp sáng không gian dưới các đường dây điện.

Làm thế nào tĩnh điện cảnh báo cháy và làm sạch khói

Trong hầu hết các trường hợp, khi chọn một loại thiết bị báo cháy, ưu tiên được phát hiện cho máy dò khói, vì hỏa hoạn thường đi kèm với lượng khói lớn, và đây là loại máy dò có thể cảnh báo mọi người trong một tòa nhà về mối nguy hiểm. Máy dò khói sử dụng ion hóa hoặc nguyên tắc quang điện để phát hiện khói trong không khí.

Trong máy dò khói ion hóa có một nguồn α-bức xạ (thường, americium-241), không khí ion hóa giữa các tấm kim loại-điện cực, điện trở giữa chúng được đo liên tục bằng cách sử dụng một mạch đặc biệt.Các ion α-bức xạ kết quả cung cấp độ dẫn giữa các điện cực và các hạt khói có liên kết với các ion, trung hòa điện tích của chúng và do đó làm tăng điện trở giữa các điện cực mà mạch điện phản ứng với tín hiệu cảnh báo. Cảm biến dựa trên nguyên tắc này thể hiện một sự nhạy cảm rất ấn tượng, phản ứng ngay cả trước khi dấu hiệu khói đầu tiên được phát hiện bởi một sinh vật sống. Cần lưu ý rằng nguồn bức xạ được sử dụng trong cảm biến không gây nguy hiểm cho con người, vì các tia alpha không thể truyền qua cả một tờ giấy và được hấp thụ hoàn toàn bởi một lớp không khí dày vài cm.

Khả năng của các hạt bụi để điện khí hóa được sử dụng rộng rãi trong các nhà sưu tập bụi tĩnh điện công nghiệp. Một loại khí có chứa, ví dụ, các hạt bồ hóng, tăng lên, đi qua một lưới kim loại tích điện âm, với kết quả là các hạt này có điện tích âm. Tiếp tục tăng lên, các hạt nằm trong điện trường của các tấm tích điện dương mà chúng bị thu hút, sau đó các hạt rơi vào các thùng chứa đặc biệt, từ đó chúng được loại bỏ định kỳ.

Bioelectrostatics

Một trong những nguyên nhân gây ra bệnh hen suyễn là các sản phẩm chất thải của bọ ve bụi (Hình 6) – côn trùng có kích thước khoảng 0,5 mm sống trong nhà của chúng tôi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các cơn hen suyễn là do một trong các protein mà các côn trùng này phát tán gây ra. Cấu trúc của protein này giống như một móng ngựa, cả hai đầu đều được tích điện dương. Lực đẩy tĩnh điện giữa các đầu của một protein hình móng ngựa như vậy làm cho cấu trúc của nó ổn định. Tuy nhiên, các thuộc tính của protein có thể được thay đổi bằng cách trung hòa các chi phí tích cực của nó. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tăng nồng độ ion âm trong không khí với sự trợ giúp của bất kỳ ionizer nào, chẳng hạn như đèn chùm Chizhevsky (Hình 7). Đồng thời, tần suất giảm cơn hen suyễn.

Hình 6 Bụi mite có chất thải gây ra bệnh hen suyễn. Hình ảnh: "Quant"

Electrostatics giúp không chỉ trung hòa các protein tiết ra bởi côn trùng, mà còn để bắt chúng. Nó đã được nói rằng tóc "đứng trên kết thúc" nếu bạn sạc nó. Người ta có thể tưởng tượng những gì côn trùng trải nghiệm khi chúng được sạc điện. Những sợi lông mỏng nhất trên bàn chân của chúng phân kỳ theo các hướng khác nhau, và côn trùng mất khả năng di chuyển. Trên nguyên tắc như vậy là bẫy gián dựa trên, như trong Hình 8.Gián bị thu hút bởi bột ngọt, tiền điện tích. Bột (trong ảnh có màu trắng) che phủ bề mặt nghiêng nằm xung quanh cái bẫy. Bắt trên bột, côn trùng trở nên bị buộc tội và lăn vào một cái bẫy.

Hình 7 Một trong những loại đèn chùm Chizhevsky. Hình ảnh: "Quant"

Chống tĩnh điện là gì?

Quần áo, thảm, khăn trải giường, vv .., đồ vật được sạc sau khi tiếp xúc với các vật khác, và đôi khi chỉ đơn giản là với các tia không khí. Trong nhà và tại nơi làm việc, các chi phí phát sinh theo cách này thường được gọi là tĩnh điện.

Hình 8 Bẫy tĩnh điện cho gián. Hình ảnh: "Quant"

Trong điều kiện khí quyển bình thường, sợi tự nhiên (được làm bằng bông, len, lụa và viscose) hấp thụ độ ẩm tốt (ưa nước) và do đó dẫn điện một chút. Khi các sợi đó chạm vào các vật liệu khác hoặc chà xát chúng, điện tích quá cao sẽ xuất hiện trên bề mặt của chúng, nhưng trong một thời gian rất ngắn, bởi vì các chi phí ngay lập tức chảy ngược qua các sợi ướt của vải chứa các ion khác nhau.

Không giống như các sợi tự nhiên, tổng hợp (polyester, acrylic, polypropylene) kém hấp thụ độ ẩm (kỵ nước), và trên bề mặt của chúng có ít các ion di động hơn.Khi vật liệu tổng hợp tiếp xúc với nhau, chúng được tính phí ngược lại, nhưng vì những chi phí này chảy rất chậm, vật liệu dính vào nhau, tạo ra sự bất tiện và cảm giác khó chịu. Bằng cách này, cấu trúc tóc rất gần với sợi tổng hợp và cũng là kỵ nước, do đó khi tiếp xúc, ví dụ, với lược, nó được tích điện và bắt đầu đẩy nhau.

Để loại bỏ tĩnh điện, bề mặt của một sản phẩm may mặc hoặc vật thể khác có thể được bôi trơn bằng một chất duy trì độ ẩm và do đó làm tăng nồng độ của các ion di động trên bề mặt. Sau quá trình xử lý này, điện tích thu được sẽ nhanh chóng biến mất khỏi bề mặt vật thể hoặc được phân phối trên nó. Tính thấm nước của bề mặt có thể được tăng lên bằng cách bôi nhọ nó bằng các chất hoạt động bề mặt có phân tử tương tự như phân tử xà phòng – một phần của phân tử rất dài bị tích điện và cái kia thì không. Các chất ngăn chặn sự xuất hiện của tĩnh điện, được gọi là tác nhân chống tĩnh điện. Ví dụ, bụi than hoặc bồ hóng thông thường là chống tĩnh điện, do đó, để loại bỏ tĩnh điện, đế thảm và vật liệu bọc bao gồm cái gọi là bồ hóng đèn trong thành phần ngâm tẩm.Đối với các mục đích này, có tới 3% sợi tự nhiên và đôi khi là các sợi kim loại mỏng được thêm vào các vật liệu này.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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