Электростатический заряд: Электростатический заряд / Энциклопедия / Pozhproekt.ru

Электрический заряд. Статическое электричество

Публикации по материалам Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

Статическое электричество

Слово электричество происходит от греческого названия янтаря —
ελεκτρον.
Янтарь — это окаменевшая смола хвойных деревьев. Древние заметили, что если потереть янтарь куском ткани, то он будет притягивать легкие
предметы или пыль. Это явление, которое мы сегодня называем статическим электричеством, можно наблюдать, и натерев тканью эбонитовую или стеклянную палочку или же просто пластмассовую линейку.

Пластмассовая линейка, которую хорошенько потерли бумажной салфеткой, притягивает мелкие кусочки бумаги (рис. 22.1).
Разряды статического электричества вы могли наблюдать, расчесывая волосы или снимая с себя нейлоновую блузку или рубашку. Не исключено, что вы ощущали электрический удар, прикоснувшись к металлической дверной ручке после того, как встали с сиденья автомобиля или прошлись по синтетическому ковру. Во всех этих случаях объект приобретает электрический заряд благодаря трению; говорят, что происходит электризация трением.

Все ли электрические заряды одинаковы или существуют различные их виды? Оказывается, существует два вида электрических зарядов, что можно доказать следующим простым опытом. Подвесим пластмассовую линейку за середину на нитке и хорошенько потрем ее куском ткани. Если теперь поднести к ней другую наэлектризованную линейку, мы обнаружим, что линейки отталкивают друг друга (рис. 22.2, а).
Точно так же, поднеся к одной наэлектризованной стеклянной палочке другую, мы будем наблюдать их отталкивание (рис. 22.2,6). Если же заряженный стеклянный стержень поднести к наэлектризованной пластмассовой линейке, они притянутся (рис. 22.2, в). Линейка, по-видимому, обладает зарядом иного вида, нежели стеклянная палочка.
Экспериментально установлено, что все заряженные объекты делятся на две категории: либо они притягиваются пластмассой и отталкиваются стеклом, либо, наоборот, отталкиваются пластмассой и притягиваются стеклом. Существуют, по-видимому, два вида зарядов, причем заряды одного и того же вида отталкиваются, а заряды разных видов притягиваются. Мы говорим, что одноименные заряды отталкиваются, а, разноименные притягиваются.

Американский государственный деятель, философ и ученый Бенджамин Франклин (1706-1790) назвал эти два
вида зарядов положительным и отрицательным. Какой заряд как назвать, было совершенно безразлично;
Франклин предложил считать заряд наэлектризованной стеклянной палочки положительным. В таком случае заряд,
появляющийся на пластмассовой линейке (или янтаре), будет отрицательным. Этого соглашения придерживаются и по сей день.

Разработанная Франклином теория электричества в действительности представляла собой концепцию «одной жидкости»: положительный заряд рассматривался как избыток «электрической жидкости» против ее нормального содержания в данном объекте, а отрицательный — как ее недостаток.
Франклин утверждал, что, когда в результате какого-либо процесса в одном теле возникает некоторый заряд, в другом теле одновременно возникает такое же количество заряда противоположного вида. Названия «положительный» и «отрицательный» следует поэтому понимать в алгебраическом смысле, так что суммарный заряд, приобретаемый телами в каком-либо процессе, всегда равен нулю.

Например, когда пластмассовую линейку натирают бумажной салфеткой, линейка приобретает отрицательный заряд, а салфетка-равный по величине положительный заряд. Происходит разделение зарядов, но их сумма равна нулю.
Этим примером иллюстрируется твердо установленный закон сохранения электрического заряда, который гласит:

Суммарный электрический заряд, образующийся в результате любого процесса, равен нулю.

Отклонений от этого закона никогда не наблюдалось, поэтому можно считать, что он столь же твердо установлен, как и законы сохранения энергии и импульса.

Электрические заряды в атомах

Лишь в прошлом столетии стало ясно, что причина существования электрического заряда кроется в самих атомах. Позднее мы обсудим строение атома и развитие представлений о нем более подробно. Здесь же кратко остановимся на основных идеях, которые помогут нам
лучше понять природу электричества.

По современным представлениям атом (несколько упрощенно) состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного одним или несколькими отрицательно заряженными электронами.
В нормальном состоянии положительный и отрицательный заряды в атоме равны по величине, и атом в целом электрически нейтрален. Однако атом может терять или приобретать один или несколько электронов. Тогда его заряд будет положительным или отрицательным, и такой атом называют ионом.

В твердом теле ядра могут колебаться, оставаясь вблизи фиксированных положений, в то время как часть электронов движется совершенно свободно. Электризацию трением можно объяснить тем, что в различных веществах ядра удерживают электроны с различной силой.
Когда пластмассовая линейка, которую натирают бумажной салфеткой, приобретает отрицательный заряд, это означает, что электроны в бумажной салфетке удерживаются слабее, чем в пластмассе, и часть их переходит с салфетки на линейку. Положительный заряд салфетки равен по величине отрицательному заряду, приобретенному линейкой.

Обычно предметы, наэлектризованные трением, лишь некоторое время удерживают заряд и, в конечном итоге, возвращаются в электрически нейтральное состояние. Куда исчезает заряд? Он «стекает» на содержащиеся в воздухе молекулы воды.
Дело в том, что молекулы воды полярны: хотя в целом они электрически нейтральны, заряд в них распределен неоднородно (рис. 22.3). Поэтому лишние электроны с наэлектризованной линейки будут «стекать» в воздух, притягиваясь к положительно заряженной области молекулы воды.
С другой стороны, положительный заряд предмета будет нейтрализоваться электронами, которые слабо удерживаются молекулами воды в воздухе. В сухую погоду влияние статического электричества гораздо заметнее: в воздухе содержится меньше молекул воды и заряд стекает не так быстро. В сырую дождливую погоду предмет не в состоянии надолго удержать свой заряд.

Изоляторы и проводники

Пусть имеются два металлических шара, один из которых сильно заряжен, а другой электрически нейтрален. Если мы соединим их, скажем, железным гвоздем, то незаряженный шар быстро приобретет электрический заряд. Если же мы одновременно коснемся обоих шаров деревянной палочкой или куском резины, то шар, не имевший заряда, останется незаряженным. Такие вещества, как железо, называют проводниками электричества; дерево же и резину называют непроводниками, или изоляторами.

Металлы обычно являются хорошими проводниками; большинство других веществ изоляторы (впрочем, и изоляторы чуть-чуть проводят электричество). Любопытно, что почти все природные материалы попадают в одну из этих двух резко различных категорий.
Есть, однако, вещества (среди которых следует назвать кремний, германий и углерод), принадлежащие к промежуточной (но тоже резко обособленной) категории. Их называют полупроводниками.

С точки зрения атомной теории электроны в изоляторах связаны с ядрами очень прочно, в то время как в проводниках многие электроны связаны очень слабо и могут свободно перемещаться внутри вещества.
Когда положительно заряженный предмет подносится вплотную к проводнику или соприкасается с ним, свободные электроны быстро перемещаются к положительному заряду. Если же предмет заряжен отрицательно, то электроны, наоборот, стремятся удалиться от него. В полупроводниках свободных электронов очень мало, а в изоляторах они практически отсутствуют.

Индуцированный заряд. Электроскоп

Поднесем положительно заряженный металлический предмет к другому (нейтральному) металлическому предмету.

При соприкосновении свободные электроны нейтрального предмета притянутся к положительно заряженному и часть их перейдет на него.
Поскольку теперь у второго предмета недостает некоторого числа электронов, заряженных отрицательно, он приобретает положительный заряд. Этот процесс называется электризацией за счет электропроводности.

Приблизим теперь положительно заряженный предмет к нейтральному металлическому стержню, но так, чтобы они не соприкасались.
Хотя электроны не покинут металлического стержня, они тем не менее переместятся в направлении заряженного предмета; на
противоположном конце стержня возникнет положительный заряд (рис. 22.4). В таком случае говорят, что на концах
металлического стержня индуцируется (или наводится) заряд.
Разумеется, никаких новых зарядов не возникает: произошло просто разделение зарядов, в целом же стержень
остался электрически нейтральным. Однако если бы мы теперь разрезали стержень поперек посредине, то
получили бы два заряженных предмета — один с отрицательным зарядом, другой с положительным.

Сообщить металлическому предмету заряд можно также, соединив его проводом с землей (или, например, с
водопроводной трубой, уходящей в землю), как показано на рис. 22.5, а.
Предмет, как говорят, заземлен. Благодаря своим огромным размерам земля принимает и отдает электроны; она
действует как резервуар заряда. Если поднести близко к металлу заряженный, скажем, отрицательно предмет, то
свободные электроны металла будут отталкиваться и многие уйдут по проводу в землю (рис. 22.5,6). Металл
окажется заряженным положительно. Если теперь отсоединить провод, на металле останется положительный
наведенный заряд. Но если сделать это после того, как отрицательно заряженный предмет удален от металла, то
все электроны успеют вернуться назад и металл останется электрически нейтральным.

Для обнаружения электрического заряда используется электроскоп (или простой электрометр).

Как видно из рис. 22.6, он состоит из корпуса, внутри которого находятся два подвижных листочка, сделанных нередко из
золота. (Иногда подвижным делается только один листочек.) Листочки укреплены на металлическом стержне,
который изолирован от корпуса и заканчивается снаружи металлическим шариком. Если поднести заряженный
предмет близко к шарику, в стержне происходит разделение зарядов (рис. 22.7, а), листочки оказываются
одноименно заряженными и отталкиваются друг от друга, как показано на рисунке.

Можно целиком зарядить стержень за счет электропроводности (рис. 22.7, б). В любом
случае, чем больше заряд, тем сильнее расходятся листочки.

Заметим, однако, что знак заряда таким способом определить невозможно: отрицательный заряд разведет
листочки точно на такое же расстояние, как и равный ему по величине положительный заряд. И все же электроскоп
можно использовать для определения знака заряда-для этого стержню надо сообщить предварительно, скажем,
отрицательный заряд (рис. 22.8, а). Если теперь к шарику электроскопа поднести отрицательно заряженный
предмет (рис. 22.8,6), то дополнительные электроны переместятся к листочкам и они раздвинутся сильнее.
Наоборот, если к шарику поднести положительный заряд, то электроны переместятся от листочков и они сблизятся
(рис. 22.8, в), так как их отрицательный заряд уменьшится.

Электроскоп широко применялся на заре электротехники. На том же принципе при использовании
электронных схем работают весьма чувствительные современные электрометры.

Данная публикация составлена по материалам книги Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:

Закон Кулона

Сила F, с которой одно заряженное тело действует на другое заряженное тело,
пропорциональна произведению их зарядов Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

Альтернативные статьи: Электрический ток, Закон ома.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Электростатический заряд — Справочник химика 21

    Реальную опасность воспламенения газо-паровоздушных смесей от разрядов статического электричества представляет собой человек, который способен накапливать электростатические заряды. Разность потенциалов между телом человека и окружающими металлическими предметами может достигать значительных величин— десятков тысяч вольт. [c.339]







    Некоторые жидкие углеводороды (нефть, мазуты и растворимые в воде жидкости) практически не накапливают электростатических зарядов, так как обладают высокой электропроводностью. Все другие нефтепродукты и сжиженные углеводородные газы обладают высоким электрическим сопротивлением и в определенных условиях накапливают значительный заряд. Особенно большое влияние на электризуемость жидких углеводородов оказывает влажность воздуха, изменение которой может резко исказить данные об оценке склонности их к электризации (табл. 8). [c.150]

    Сущность этого способа, который в последние годы широко применяют в промышленности, заключается в нейтрализации поверхностных электростатических зарядов ионами, которые образуются при применении прибора-нейтрализатора. Этот прибор создает большое число ионов, взаимодействующих с противоположными по знаку зарядами. Ионизация воздуха осуществляется двумя способами действием электрического поля высокого напряжения и радиоактивным излучением. [c.342]

    Но иногда бывают случаи, когда кристаллики парафина, даже не связанные между собой и свободно плавающие в растворе, остаются длительное время во взвешенном состоянии и не оседают. Причиной аномальной устойчивости таких суспензий парафина является, по нашим наблюдениям, наличие у взвешенных частиц парафина значительных электростатических зарядов, которые препятствуют сближению частиц и их оседанию. [c.127]

    Причиной многих аварий, сопровождающихся взрывами и пожарами, являются разряды статического электричества. Зарегистрированы взрывы от разрядов статического электричества при транспортировании жидких углеводородов по трубопроводам, при операциях смешения, фильтрации, слива, налива, при очистке резервуаров и т. д. При движении жидких углеводородов относительно другого вещества (материала трубы, резервуара) образуются электростатические заряды, которые, накапливаясь, создают электрическое поле и являются причиной электрических разрядов. Взрыв происходит в том случае, если в электрическом поле, которое создается в газообразной воспламеняющейся смеси, происходит разряд, достаточный для подрыва смеси. [c.149]

    Спецодежда разделяется на группы для защиты от пониженных Температур повышенных температур механических воздействий рентгеновских излучений и радиоактивных веществ электрического тока, электростатических зарядов, электрических и электромагнитных полей пыли токсических веществ воды и растворов нетоксичных веществ и др. [c.405]

    При движении жидких углеводородов по трубопроводам электростатические заряды могут достигать очень высоких значений, особенно при прохождении жидкости через фильтры. Так как рассеивание электростатического заряда зависит не только от электропроводности продукта, но и от времени течения по трубопроводу, фильтры следует устанавливать в наиболее удаленных от наливного устройства местах, чтобы дать возможность зарядам частично разрядиться. [c.153]

    Одним из способов снятия электростатических зарядов является увеличение поверхностной проводимости. Для этого повышают относительную влажность или применяют антистатические примеси. [c.342]

    Источниками воспламенения этой смеси могут быть электростатический заряд полиэтиленовой пыли и сажи, горячие поверхности выброшенных твердых частиц, искры и др. Однако наиболее вероятным является самовоспламенение при залповом выбросе и смешении с воздухом горячих газов и твердых частиц, температура которых зависит от теплового режима процесса. [c.107]

    Наличие у взвешенных в растворителе кристалликов парафина электростатических зарядов нами было установлено в опытах по выяснению возможности осаждения кристалликов путем воздействия электрическим нолем высокого напряжения. Для этого [c.75]

    Все молекулы воды, образующие небольшие (л 15) кластеры, сильно ориентированы полем иона. Среди ближайших к иону (особенно Ыа+) молекул воды преобладает ориентация, в которой неподеленная электронная пара молекул воды направлена к иону [386, 413]. Впрочем, детальная картина распределения ориентаций молекулы воды по отношению к иону зависит от выбранной модели распределения электростатических зарядов в молекуле [414]. [c.147]

    Поливинилхлоридное волокно, вследствие своей негорючести,, находит применение для специальных целей. При трении поливинилхлоридное волокно приобретает электростатический заряд,, что придает ткани лечебные свойства. [c.345]

    Для предотвращения накапливания электростатических зарядов рекомендуется применять хорошее заземление, регулировать влажность сыпучих материалов, улучшать условия транспортирования и др. [c.9]

    Очевидно в некоторых из этих случаев, если не во всех, взрыв произошел в результате возгорания паров, накопившихся в пустых грузовых объемах. Одно из объяснений случаев аварий основано на предположении, что возгорание инициировано действием электростатических зарядов, образовавшихся при воздействии водяной струи в процессе уборки судна. Случившиеся аварии стали хорошим уроком на будущее, поэтому теперь вошло в практику применение для столь крупных танкеров «инертных газов» — выхлопных газов от двигателя судна, которыми вытесняют обычный чистый воздух и заполняют все пустые объемы. [c.273]

    При трении об обкладку на стенке ротора создается электростатический заряд, знак которого зависит от вида трущихся материалов. Напряженность такого поля Е вблизи внутренней стенки ротора в диэлектрической среде очищаемой жидкости можно определить на основании теоремы Гаусса как Е=а1 (бд 6/), где а — поверхностная плотность заряда на стенке ротора бд и е, — диэлектрическая проницаемость фазы и среды соответственно.  [c.50]

    Электростатический заряд Q (в Кл), накапливающийся при-электризации любого тела, определяется выражением  [c.111]

    Присадка, которая повышает электрическую проводимость углеводородного топлива и ускоряет распространение электростатического заряда во время быстрой перекачки топлива, понижая пожаро-взрывоопасность. [c.1]

    Механизмы удержания частиц в фильтрах стали в последние годы предметом обширных исследований, проведенных Крупном [468], Корном [177], Леффлером [529] и Биллингсом [78], их работы были рассмотрены в обзоре [529]. Силы, удерживающие частицы в фильтрующей среде, являются сочетанием [461] сил Ван-дер-Ваальса, электростатического притяжения и капиллярного поверхностного натяжения (при определенной влажности). Найдено, что при высокой влажности капиллярные силы начинают играть большую роль электростатические заряды стекают. [c.332]

    Как только частицы или капельки попадают в электрическое поле электрофильтра, они приобретают электростатический заряд в результате воздействия двух механизмов механизма бомбардированной зарядки и механизма диффузионной зарядки. Ионы газа, а также электроны в случае отрицательной короны движутся при нормальных условиях сквозь поток газа, перенося частицы под влиянием электрического поля и заряжая частицы, с которыми они сталкиваются. Такая зарядка называется бомбардировкой (столкновение ионов). Кроме того, ионы газа (и электроны — там, где они присутствуют) осаждаются на частицах вследствие их теплового движения, такое явление называется диффузионной зарядкой (диффузия ионов). [c.448]

    Физические Электростатические заряды, поля Электрические поля Электромагнитные поля [c.410]

    Электростатический заряд может быть нанесен на фильтровальную ткань при трении, например, при натирании тканью лю-ситовой полочки [770] или путем пропускания через ткань запыленного газового потока. Когда поток воздуха проходит через фильтр из синтетического волокна со скоростью 1,7—2,0 м/с, возникает заряд около 1,2 кВ [239]. [c.322]

    Наличие электростатических зарядов на частицах либо на волокнах повышает эффективность улавливания частиц, если же они несут заряды противоположных знаков, то может быть достигнута еще более высокая эффективность. И наоборот, если заряды частиц н волокон имеют одинаковый знак, и сила, возникающая в результате кулоновского отталкивания, превышает поляризационные силы притяжения, эффективность улавливания частиц ухудшается. [c.337]

    Как указывалось, фильтрующие волокна должны быть тонкими при наличии электростатического заряда они должны обеспечивать улавливание пыли. Необходимо также учитывать ориентацию волокон, которые должны располагаться перпендикулярно потоку газа для достижения максимальной эффективности, а также меха ническую прочность ткани, выдерживающей встряхивание и вибрацию. Кроме того, волокна должны быть химически стойкими и стойкими к воздействию плесени, а в некоторых случаях (для необработанной шерсти) насекомых и бактерий. [c.349]

    Электростатические заряды в процессе фильтрования через волокна [c.366]

    Хотя на капельках жидкости во время распыления возникает некоторый электростатический заряд, он, как было показано, является слишком слабым, чтобы играть важную роль в улавливании частиц [256] за исключением тех случаев, когда капелькам жидкости специально сообщается заряд из внешнего источника [463]. Подобным же образом тепловое осаждение вряд ли может быть главной силой притяжения частиц, поскольку капельки жидкости летучи, а температурный перепад, необходимый для эффективного теплового осаждения, настолько велик, что эти капельки должны были бы испариться. В системах, где используются оросительные башни и скрубберы для обработки горячих дымовых газов, они выполняют комплексную функцию охлаждения и увлажнения газов, а также улавливания крупных частиц, прежде чем газы поступят в соответствующую установку для удаления мелких частиц.  [c.393]

    При тран спортировании сжиженных углеводородных газов по трубопроводам, смешении, фильтрации, сливе-наливе образуются электростатические заряды, которые, накапливаясь, соз- [c.112]

    Так, на одном из предприятий при заполнении сжиженными углеводородами резервуара е-мкостью 2000 внутри него произошел электрический разряд, от которого воспламенилась паровоздушная смесь. Накоплению электростатических зарядов способствовало то обстоятельство, что верхний трубопровод не имел спуска к днищу, и сгруя жидкости свободно падала в резервуар. Последний был заземлен только с внешней стороны, поэтому не обеспечивался отвод зарядов из всех его зон. [c.195]

    Передаточные, механизмы (муфты, клиноремеыные передачи) на насосах должны быть надежно ограждены. Ограждающие устройства должны быть быстросъемными или легко открывающимися. Клиноременные передачи должны выполняться из токопроводящих ремней или смазываться составом, снимающим электростатический заряд, согласно требованиям Правил защиты от статического электричества в производствах химической промышленности, утвер5кденных Госкомитетом химической промышленности 9/1У 63 г. [c.122]

    К числу показателей качества, обязательных для всех видов спецодежды, относятся, например, соответствие качества материала назначению спецодежды, сроки носки, соответствие конструкции условиям труда и антропологическим измерениям, художественно-эстетические показатели, устойчивость к стирке или химической чистке и др. К числу показателей, специфических для отдельных видов спецодежды в зависн.мости от ее назначения, относятся, например, сопротивление вырыву деталей изделия или его частей (важно нри работе с вращающимися и движущимися частями), теплопроводность, вoздyxoпpoницaeмo т . щелоче- или кислотостойкость. проницаемость для нефтепродуктов или растворителей, способность к дезактивации (важно при защите от радиоактивных веществ), электрическое сопротивление (при защите от электростатических зарядов) и другие.  [c.93]

    Входные патрубки реакционных котлов снабжают сифонами, которые предотвращают разбрызгивание загружаемой в аппарат жидкости и уменьшают накопление электростатического заряда. Нижний конец сифона обязательно должен быть срезан под углом 45° к горизонтальной плоскости, так как это уменьшает разбрызгивание. Сифон может служить и для передавливания прореагировавшей смеси. Если ось передавливающей трубы совпадает с вертикальной осью аппарата, расстояние от днища определяется нз соотношения [c.116]

    Работами, проведенными фирмой Айр-Продакс, было показано, что жидкий кислород, содержащий до 2— 3 микродолей СОг, не возбуждал электростатических зарядов. При повышении же содержания СОг до 200— 300 микродолей создавались электростатические потенциалы до 3000 в. [c.28]

    Другой возможный источник опшбок обусловлен возникновениеи значительных электростатических зарядов при движении твердых частиц в трубе. В этом отношении весьма важна влажность несущего газового потока. Кроме того, чтобы уменьшить заряды статического электричества, требуется заземление, особенно в случае использования очень сухого газа и малой электропроводности твердых частиц. [c.607]

    Изучение физико-химического процесса на любой установке (лабораторной, опытной, промышленной) представляет собой физическое моделирование, которое было основным методом исследования в течение длительного периода. Однако развитие науки показало, что не все процессы можно изучать на физических моделях. Например, крайне сложно осуществить физическое моделирование закона тяготения Ньютона Больцман долгие годы отстаивал свою молекулярно-кинетическую теорию, которая не признавалась крупнейшими авторитетами его времени на том основанпи, что поведение молекул не наглядно, их трудно физически моделировать. Выход был найден в аналогии (преимущественно математической) разных по физической сущности явлений природы . Например, законы Ньютона (притяжение тел) и Кулона (притяжение электростатических зарядов) описываются одинаковыми уравнениями. Используя аналогию физических явлений, создают модель, в которой осуществляют новый процесс, описываемый уравнениями такой же структуры, что и исходный. [c.12]

    Перед проведением пав рки ареометров их промывают и сушат, готовят поверочные жидкости, термостатируют доводят плотность до значения, соответствующего отметке шакалы поверяемого ареометра. Ареометры, поверяемые в нефтяных растворах и нефтепродуктах промывают бензином марки Б-70 плотностью не более 730 кг/м . Затем ареометры выдерживают в шриопособлении с гнездами в течение 30 мни, пока они пе обсохнут, а температура их не станет равной температуре окружающего воздуха. При влажности воздуха 50% и более ареометры выдерживают более 30 мин и протирают льняным поло-тенвдм, при этом следует избегать продолжительного трення во избежание появления электростатического заряда. Не допускается оставлять капли промывочной жидкости иа поверяемом ареометре. [c.28]

    Для эксплуатации в высокоагрессивных средах разработаны новые типы связующих для стеклопластиков, характеризующихся химической стойкостью и термостойкостью. Так, связующие на основе виннлэфирных смол обладают стойкостью к 400 видам химически агрессивных сред. Стеклопластики на этих связующих негорючи, удовлетворяют противопожарным требованиям. Разработаны стеклопластики, содержащие электропроводящий наполнитель и не накапливающие на поверхности электростатических зарядов, что позволяет применять их в нефтехимической промышленности. [c.40]

    В более поздней работе Билленга [78] сравнил уравнение (VII.51) с экспериментальными результатами, полученными как на твердых частицах, так и на каплях жидкости (рис. VII-10) [379, 669, 816, 856, 857]. Он нашел, что эффективность улавливания капель жидкости соответствует результатам по уравнению Фридлаедера — Пассери (VII.15), тогда как твердые частицы улавливались с гораздо большей эффективностью, чем предсказано уравнением. Причины этого расхождения неизвестны, но они могут быть связаны со способом образования аэрозолей, возможностью возникновения некоторого электростатического заряда в случае твердых частиц или эффектом аккумуляции частиц [78].  [c.318]

    Анализ влияния электростатических сил и их сочетания с основными механизмами аэродинамического захвата чрезвычайно труден. Известны две попытки решения, этой проблемы, увенчавшиеся некоторым успехом. Джиллеспай [297] применил подход Лэнгмюра для захвата частиц [489] с учетом электростатических зарядов, возникающих при перехвате или в процессе диффузии частиц, а также использовал условия ламинарности для оценки -скоростей потока при его прохождении через фильтр. Результирующие уравнения очень сложны и не будут приведены в настоящей работе. [c.322]

    Расчеты и эксперименты показывают, что эффективность намного выше тогда, когда заряжены и частицы, и коллектор пылеулавливание улучшается даже в тех случаях, когда заряжен только один из элементов. Джиллеспай [297] показал, что электростатический заряд увеличивает размер частиц для максимального проникновения в слой фильтра (рис. VII-17). Это отчасти может служить объяснением аномальности результатов, полученных Хэмфри и Гаденом [379], которые нашли, что размер для максимального дроникновения спор В. subtilis, несущих некоторый электростатический заряд, составляет 1,15 мкм. Эта величина больше, чем [c.326]

    Наведение электростатического заряда было принято при промышленном производстве некоторых фильтрующих материалов из армированного стекловолокна, рекомендованных для установок кондиционирования воздуха. Эффективность таких сред показана на рис. VIII-15. [c.370]

Электростатический заряд — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Электростатический заряд

Cтраница 1

Электростатические заряды на частицах создаются и при их обработке в шаровой мельнице или в электростатической порошковой пушке. Непокрываемая часть изделий защищается изолирующими смолами. Окончательное закрепление частиц проводят в электролите никелирования при 60 С, причем по мере погружения деталей в ванну увеличивают плотность тока.
 [1]

Электростатический заряд может быть снижен: 1) рассеиванием, 2) нейтрализующими электродами, 3) специальными присадками и 4) ионизирующим излучением. Первыми двумя методами достигается защита только в одной точке системы заполнения емкостей, причем метод рассеивания требует продолжительного времени для топлив с высокой электризуемостью и низкой электропроводностью. Противостатическими присадками, которые главным образом увеличивают электропроводность топлив, должна быть достигнута быстрая рекомбинация зарядов или их рассеивание. Некоторые присадки являются удовлетворительными в отношении изменения электрических свойств, но вызывают образование трудноустранимых эмульсий топлива и воды. Ионизирующие излучения не всегда применимы.
 [2]

Электростатический заряд в полупроводящей среде стремится разрядиться или рассеяться.
 [3]

Электростатические заряды могут накопляться повсюду: на резервуаре, на автоцистерне, на железнодорожной цистерне, па клапане, на трансмиссиях, иногда в самых неожиданных местах или на оборудовании, которые мы считаем безопасным. Опасность прежде всего заключается в том, что разряд статического электричества может произойти, когда этому благоприятствуют местные условия.
 [4]

Электростатические заряды рассеиваются, проходя от одного металлорганического соединения — производного основания — к соседному диссимилятору — производному кислоты.
 [5]

Электростатические заряды могут генерироваться во время прохождения СУВГ по трубам, при загрузке и разгрузке, при смешении и фильтрации, а также во время очистки резервуара.
 [6]

Электростатический заряд может быть нанесен на фильтровальную ткань при трении, например, при натирании тканью лю-ситовой полочки [770] или путем пропускания через ткань запыленного газового потока.
 [7]

Электростатические заряды генерируются при движении жидкостей по трубам, перемешивании, сливе, фильтрации и разбрызгивании. Способность жидкости генерировать заряды, как это было показано в главе второй, прежде всего зависит от ее удельного электрического сопротивления, которое, в свою очередь, определяется количеством примесей. В продуктах с высоким ( выше 1013 Ом — м) удельным сопротивлением генерирование статических зарядов мало вследствие отсутствия примесных ионов. По мере увеличения примесей генерирование зарядов интенсифицируется и при некоторой концентрации примесных ионов достигает максимума.
 [8]

Электростатические заряды, возникающие на внутренней и наружной поверхностях трубы, способствуют при определенных условиях формированию на них разрядов статического электричества: поверхностных разрядов, разрядов на заземленные предметы, а также электрического пробоя стенок трубы.
 [9]

Электростатические заряды образуются также при перемешивании жидкого водорода. Накопление зарядов происходит в основном в результате адсорбции ионов на поверхности стенок трубопроводов. Величина накапливаемого электрического заряда зависит в основном от электрической проводимости, вязкости водорода, скорости его потока, содержания в нем примесей.
 [10]

Электростатический заряд на поверхности частиц золя зависит в большой степени от количества прибавленного электролита. В чистых водных суспензиях альбумина Харди8 не наблюдал никакого заряда; но при прибавлении незначительных количеств кислоты или щелочи суспензия альбумина соответственно становится заряженной положительно или отрицательно. В кислых, нейтральных или щелочных растворах гидрозоли кремнекис-лоты всегда сохраняют свои отрицательные заряды. Поэтому их частицы при электрофорезе всегда перемещаются к аноду. Только очень высокая концентрация кислоты может окончательно изменить знак их заряда.
 [11]

Электростатические заряды ( статическое электричество) возникают на поверхностях некоторых материалов ( твердых и жидких) в результате сложного процесса контактной электризации.
 [12]

Электростатические заряды образуются на людях при их заряжении по индукции, в процессах контактной электризации и в результате контакта с заряженными материалами.
 [13]

Электростатический заряд, индуцированный на измерительном электроде, преобразуется в переменное напряжение, амплитуда и фаза которого несут, информацию о напряженности электростатического поля и знаке заряда. Результаты измерений отображаются с помощью цифрового трехразрядного индикатора.
 [14]

Электростатические заряды образуются в хорошо заземленном оборудовании при хранении и переливании жидкого водорода. Опасность электростатических явлений для любой жидкости характеризуется тремя критериями: способностью жидкости к накоплению зарядов; степенью электризации, необходимой для появления искры с энергией, достаточной для воспламенения; воспламеняемостью ( или способностью к детонации) горючих смесей при искровом поджигании.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

Основы статического электричества | OPW Retail Fueling EMEA

Как возникает статическое электричество?

При движении топлива с низкой проводимостью, например бензина, в непроводящих трубах образуется заряд статического электричества. Отрицательные заряды накапливаются на стенке трубы, а положительные остаются в протекающем топливе. Такое разделение зарядов происходит так же, как при трении двух непроводящих материалов. Попытайтесь потереть воздушный шар о кожу или волосы, и получите электростатический заряд.

Поскольку в непроводящей трубе заряды не рассеиваются и не отводятся, они накапливаются на стенке трубы. Увеличению зарядов способствуют низкая проводимость топлива, высокая скорость потока, турбулентность в коленах, пламегасители, фильтры и т.д., а также наличие загрязнений в топливе. Тестирование непроводящих трубопроводов показало возможность накопления зарядов до 90000 В.

Нажмите, чтобы просмотреть анимационный ролик об образовании заряда — Принцип 1

Заряды распределяются по стенке трубы неравномерно, в зависимости от потока топлива и турбулентности в трубе. Разряды происходят между стенкой трубы и заземленным предметом (металлический фланец или аналогичное оборудование), между стенкой трубы и топливом, или между разнозаряженными зонами стенки трубы.

Разряд может привести к возгоранию воспламеняемой среды в трубе. Известно о возникновении таких ситуаций на конце сливных труб в сливной точке

Заряды в трубе также создают электростатическое поле вокруг трубы. Незаземленные проводящие предметы в этом поле получают наведенный электростатический потенциал. То есть, у фланцев, стяжных хомутов и прочих предметов снаружи трубы может быть опасный потенциал при отсутствии правильного соединения и заземления. Разряды могут происходить между этими и проводящими предметами с другим потенциалом: заземленными предметами, инструментами или людьми.

Нажмите, чтобы просмотреть анимационный ролик об электростатической индукции — Принцип 2

Проводящий трубопровод рассеивает статические заряды

В токопроводящей системе поток топлива создает меньше зарядов, а создаваемые заряды сразу устраняются заземлением.

Нажмите, чтобы просмотреть анимационный ролик рассеивания заряда в токопроводящей трубе

Устранение электростатического заряда путем увлажнения воздуха и контроля влажности

Увлажнение воздуха является эффективным способом устранения сэлектростатического разряда на производстве. При поддержании относительной влажности на уровне 55% влага, соедржащаяся в воздухе, является естественным проводником, который заземляет потенциальный статический заряд.

Накопление электростатического заряда на производственном оборудовании часто приводит к снижению производительности, ухудшению качества продукции, создает проблемы с безопасностью из-за неконтролируемого искрения и наносит физический ущерб оборудованию, особенно электронике и печатным платам.

Проблемы, вызванные статическим электричеством, характерны для упаковочной, типографской, целлюлозно-бумажной промышленности, производства пластмасс, текстильных изделий, электроники, автомобилестроения и фармацевтической промышленности.

Для образования электростатического заряда в процессе трения относительная влажность воздуха должна быть ниже 45%. При относительной влажности воздуха 45-55% электростатический заряд все еще накапливается, но в меньшей степени, так как он отводится в землю через содержащуюся в воздухе влагу. Поддержание относительной влажности воздуха выше 55% гарантированно предотвращает образование электростатического заряда.

Для больших помещений, таких как полиграфические и производственные цеха, эффективным и экономичным решением представляется прямое увлажнение воздуха в помещении. В припотолочной зоне устанавливают форсунки, которые распыляют влагу и поднимают влажность воздуха до требуемого уровня.

Однако, промышленное оборудование выделяет тепло и понижает относительную влажность воздуха в помещениях, что приводит к накоплению электростатического заряда. Нагрев осушает воздух, и в комнате с общей относительной влажностью воздуха 60% при 18 °C могут образоваться локальные воздушные зоны с влажностью ниже 45%. Если такое оборудование вдобавок создает трение, ведущее к накоплению статического электричества, возникает опасность электростатического разряда.

Там, где это требуется, можно установить местные распылительные системы для локального повышения влажности. Установив отдельные форсунки непосредственно над технологическим оборудованием, можно устранить накопление электростатического заряда за счет поддержания необходимой относительной влажности воздуха при увеличении температуры.

что такое заряд и электростатика

В грозовой туче заряд накапливается почти так же, как и на одежде. Если очень жарко, тёплый воздух вместе с водным паром быстро поднимаются наверх, и складываются в вертикальные облака высотой в несколько километров. Капельки воды в таком облаке поднимаются до очень холодных слоёв атмосферы и превращаются в крошечные ледышки, которые быстро падают вниз и в полёте трутся о пылинки и другие частицы воздуха, перехватывая их электроны. Они собираются с нижней стороны тучи, которая накапливает отрицательный заряд, тяжелеет и нависает над землёй, собирая под собой положительные заряды. Напряжение растёт, пока не пробьёт слой воздуха, отдавая положительный заряд в землю.

Самый простой способ сбросить электростатический заряд с одежды – дотронуться до металлического крана. Водопровод отлично проводит ток прямо в землю, а она настолько большая, что зарядить её, наполнив электронами или «дырками», не по силам даже тысяче молний. Поэтому в неё может «уходить» любой заряд: лишние электроны убегут, а недостающие – прибегут. Этим пользуются, заземляя электроприборы, то есть просто соединяя их с землёй, чтобы лишний заряд не накапливался, а обнулялся.

Но это мы знаем сегодня: ещё несколько сотен лет назад, когда Америка боролась за независимость от Великобритании, а физики вовсю экспериментировали с электростатическими зарядами, никто не мог точно сказать, что же такое молния. Её сходство с искрами электричества было очевидным – но это ещё требовалось доказать, ведь никто не может приблизиться к молнии и дотронуться до неё. Однако отважный учёный, один из отцов-основателей США
Бенджамин Франклин нашёл способ «потрогать» молнию.

Из шёлкового платка с помощью деревянных распорок он сделал воздушного змея, приладив к его «голове» медный штырь. Расчёт был такой: молния, ударив в медь, побежит вниз по мокрой от дождя бечёвке змея до большого железного ключа, привязанного к ней, – и ударит в землю. Бечёвку через шёлковую ленту держал человек, защищённый крышей, так, чтобы ни лента, ни он сам не промокли и не стали проводить электричество. Впрочем, Франклину даже молнии не потребовалось: ключ зарядился от тучи и стал искриться ещё до того, как она набрала достаточно зарядов для молнии. Учёный смог досрочно завершить опасный эксперимент.

Карикатура на Бенджамина Франклина

Но был и другой вид разрядов, природа которых оставалась загадкой. Разряды, которыми пользуются электрические скаты и угри – причём, некоторые даже в пресной воде. В отличие от морской, в ней мало растворённых солей и мало свободных электронов, поэтому пресноводные электрические угри, обитающие в Амазонке, создают особенно мощный заряд. Поверить в это было трудно: многие говорили, что это укус, просто очень быстрый. Доказал это британский физик
Генри Кавендиш, который соорудил настоящего искусственного ската, который бил настоящим электричеством – стеклянную банку в форме рыбы с вольтовым столбом внутри.

Основы для программы ESD / Статьи и обзоры / Элек.ру

Электростатический разряд (ESD) может повредить компоненты и изделия, содержащие электронику. Это скрытый враг на многих высокотехнологичных фабриках. Часто этот ущерб не может быть обнаружен инспекциями контроля качества и может быть очень неприятным: отрицательно сказывается на производительности, качестве, надежности продукции и, следовательно, репутации и прибыльности компании.

В первую очередь необходимо понимать и следовать основам управления электростатическим разрядом, чтобы ограничить образование электростатических зарядов, ограничить и замедлить разряд в EPA. Защищенная от электростатических разрядов область должна иметь указатели, часто с проходной лентой, чтобы четко определить, где они находятся.

Правила работы с ESD

• Обращайтесь с неупакованными чувствительными к электростатическому разряду элементами (ESDS) в защищенной от электростатического раз-ряда области (EPA) только при заземлении.
• Допускайте в EPA только обученных лиц или в сопровождении таковых.
• Заземлите все проводники, включая людей в EPA.
• Используйте непрерывные мониторы или проверяйте браслеты как минимум ежедневно.
• Если используется одежда и обувь ESD, проверяйте ее, по крайней мере, ежедневно.
• Визуально проверьте, что заземляющие шнуры подключены.
• Держите браслет плотно прилегающим, язычок заземления ножки в обуви, а антистатические халаты должны покрывать всю одежду. Держите рабочую зону чистой и свободной от всех несущественных изоляторов, или нейтрализуйте основные изоляторы ионизаторами, направляя поток воздуха в рабочую зону.
• Используйте упаковку с защитными свойствами для хранения или транспортировки ESDS за пределами EPA.

Заземление и безопасность персонала

Основное правило в управлении ESD — заземлять все проводники, включая людей. Однако, персонал не должен быть заземлен в ситуациях, когда он может контактировать с напряжением свыше 250 вольт переменного тока. Все материалы могут проявлять трибоэлектрический эффект или генерировать электростатические заряды.

Это статическое электричество, которое представляет собой электрический заряд в состоянии покоя. Когда электрический заряд не находится в покое, но разряжается, могут возникнуть проблемы.

Халаты антистатические с вышивкой знака ESD

Количество генерируемого статического электричества варьирует и зависит от материалов, трения, площади контакта и относительной влажности среды. При более низкой относительной влажности выработка заряда будет возрастать по мере сушки окружающей среды.

Для большинства людей статическое электричество представлено шумом или потрескиванием, как по радио, или ударом, который возникает при прикосновении к металлическому предмету после того, как он прошел через комнату с ковровым покрытием или скользил через автомобильное сиденье. Статическое электричество также наблюдается как статическое сцепление, когда одежда слипается после сушилки для белья. Любое соприкосновение и физическое разделение материалов или потоков твердых веществ, жидкостей или наполненных частицами газов может генерировать электростатические заряды. К общим источникам ESD относятся заряженные: персонал, проводники, обычные полимерные материалы и технологическое оборудование.

Многие общие действия могут генерировать заряды на теле человека, которые потенциально вредны для электронных компонентов (более высокий заряд генерируется при низкой влажности в сухой среде).

Заряды статического электричества:

• прогулка по ковру — от 1500 до 35 000 вольт;
• прогулка по необработанному виниловому полу— от 250 до 12 500 вольт;
• виниловый конверт, используемый для рабочих инструкций, — от 600 до 7000 вольт.

Механизмы отказа и потенциальный ущерб

Электростатический разряд может вызвать сбои в работе и скрытые дефекты электронных компонентов, причем заряд даже менее 100 вольт может стать причиной повреждения. Также электростатический разряд может вызвать расплав металла, разрушение соединения или разрушение оксида, что станет причиной сбоя. Скрытый дефект может возникать, когда чувствительный к ESD элемент подвергается воздействию ESD и частично ухудшается. Он может продолжать выполнять свою функцию, поэтому не может быть обнаружен при обычном осмотре. Однако прерывистые или постоянные сбои могут возникнуть позже. Катастрофический отказ электронного компонента может быть наименее дорогостоящим типом повреждения от электростатического разряда, поскольку его можно обнаружить и устранить на ранней стадии производства.

Измеритель поверхностного сопротивления Desco Europe

Однако механизмы отказа могут включать следующее:

• Разрушение диэлектрика является преобладающим механизмом разрушения на МОП-устройствах, когда напряжение на оксиде превышает прочность на разрыв диэлектрика. Этот механизм отказа в основном зависит от напряжения. Чем тоньше оксид, тем выше подверженность электростатическому разряду. Этот механизм отказа может происходить на МОП или биполярных устройствах.

• При использовании биполярных устройств могут возникать резистивные пути утечки, когда металлизация протекает над изоляцией, которая находится над активными полупроводниковыми областями. Термическое разрушение происходит, когда связующие материалы плавятся, особенно в случае эвтектического сплава из кремниевого контактного материала или из кремния. В основном это механизм сбоя, зависящий от энергии: форма, длительность и энергия импульса электростатического разряда могут создавать уровни мощности, приводящие к локальному нагреву и, в конечном итоге, к переходу или расплавлению свинца, даже если уровень напряжения ниже требуемого, чтобы вызвать деградацию устройства, а также функциональные сбои. Это может повлиять как на производительность, так и на надежность. Когда это произойдет, тогда «ходячие раненые» устройства могут быть более восприимчивы как к дальнейшему повреждению от электростатического разряда, так и к повреждению из-за скачков напряжения и термического ухудшения.

Скрытый ущерб, вызванный ESD, потенциально более дорогостоящий, поскольку происходит повреждение, которое невозможно почувствовать, увидеть или обнаружить с помощью обычных процедур проверки. Скрытые дефекты могут серьезно повлиять на репутацию продукта компании. Периодические сбои после отправки продукта могут вызывать разочарование, особенно когда покупатель возвращает продукт, сообщая о проблеме, которую завод снова не может обнаружить. Следовательно, он проходит проверку, и продукт возвращается покупателю с нерешенной проблемой. Худшее событие — это когда продукт установлен в системе клиента, работает некоторое время, а затем работает беспорядочно. В этой ситуации устранение неполадок и ремонт могут быть очень дорогими.

Меры предосторожности

Многие организации считают все электронные компоненты чувствительными к электростатическим разрядам. Очень важно знать о наиболее чувствительных элементах, которые обрабатываются на вашем заводе. По мере развития электронных технологий электронная схема постепенно уменьшается. По мере уменьшения размера компонентов увеличивается микроскопическое расстояние между изоляторами и цепями внутри них, что повышает их чувствительность к электростатическому разряду. Как вы можете предположить, необходимость надлежащей защиты от электро-статического разряда возрастает с каждым днем.

Любой элемент, чувствительный к ESD, должен быть обозначен символом чувствительности к ESD, либо на нем, либо на его контейнере. Символ чувствительности к электростатическим разрядам (также называемый символом восприимчивости или предупреждающим символом) идентифицирует предметы, которые могут быть повреждены от электростатического разряда и должны быть распакованы и обработаны при заземлении на рабочей станции, защищенной от электростатического разряда.  
Маркировка элементов оборудования может быть выполнена с помощью символа «Чувствительность к ESD».

Маркировка оборудования зависит от свободного места на самом предмете, а также от среды, в которой он будет работать, и от того, будет ли маркировка мешать работе предмета. Некоторые метки оборудования могут содержать номенклатуру вместе с символом.
Большинство фирм использует стандарт EN61340-5-1 для составления плана управления ESD, основанного на обработке чувствительных к ESD предметов, имеющих выдерживаемое напряжение модели человеческого тела 100 В или более. Модель человеческого тела имитирует разряды человека и все чаще проверяет электронное устройство на повышенных и повышенных разрядах до тех пор, пока оно не выйдет из строя, тем самым устанавливая выдерживаемое напряжение устройства.

Самый быстрый словарь в мире: Vocabulary.com

Процесс электростатического заряда

Глава девятая: Процесс электростатического заряда

Зарядка коронным разрядом

• Типичное напряжение от 40 000 до 100 000 В постоянного тока.
• Типовые токи 15-60 мкА
• Один миллиампер равен 1/1000 ампер и вызовет небольшой, но заметный удар.
• Один микроусилитель составляет 1/1 000 000 от усилителя и вообще не вызовет никаких сенсаций.
• 15-60 мкА не причинят вреда людям, хотя длительное воздействие может вызвать ощущение щекотки, подобное шоку от ковра.
• Обозначение для микроусилителя: мкА

Линии электрического поля, заряженные короной

• Поле короны создает силовые линии поля, выходящие из ружья, которые сходятся на острых краях и остриях.
• Свободные электроны движутся по силовым линиям.
• Электроны сталкиваются с молекулами воздуха, разделяя их еще на 2 электрона и 1 ион.
• Новые электроны поражают новые молекулы воздуха
• Свободные ионы движутся к источнику.
• Ионы также ударяют и расщепляют молекулы воздуха.

На движущуюся частицу действуют несколько сил, которые доставляют и откладывают ее на деталь: сопротивление воздуха, аэродинамическая сила, электрическая сила и гравитация. Важно отметить, что электрическая сила может выполнять свою функцию только в том случае, если основание продукта правильно заземлено.

Электростатическое притяжение

Обычные электростатические блоки

Основы эффекта клетки Фарадея

Силы притяжения обратно пропорциональны квадрату целевого расстояния.

Токовый выход

от A до B = 2 дюйма (1 / (2×2) = 0.25 или относительная сила = 16

от A до C = 4 дюйма (1 / (4×4) = 0,0625 или относительная сила = 4

от A до D = 8 дюймов (1 / (8×8) = 0,0156 или относительная сила = 1

Дополнительные факторы

Влияние размера частиц на площадь поверхности и заряд

Заряд, создаваемый частицей порошка, является функцией отношения заряда к массе. Это соотношение обратно пропорционально радиусу частицы. Более крупные частицы заряжаются менее эффективно. (Одна) частица размером 1 мил имеет 1/512 массы частицы 8 мил, но общий объем более мелких частиц, составляющих эту массу, будет нести в 8 раз больше заряда из-за увеличенной площади поверхности.

Устройства ограничения тока

Устройства ограничения тока

были разработаны, чтобы помочь минимизировать обратную ионизацию, и особенно подходят для автоматических пистолетов, где постоянная регулировка нецелесообразна.По мере того, как воздушный зазор между пистолетом и деталью уменьшается, сопротивление также уменьшается, поэтому ток увеличивается пропорционально. Чем выше ток, тем больше свободных ионов генерируется быстрее. Более высокий ток вызывает насыщение детали и обратную ионизацию, что затрудняет создание пленки и углубления в покрытии. Эти устройства помогают уменьшить эффекты клетки Фарадея и помогают поддерживать оптимальную напряженность поля и ток между электродом и деталями.

Уравнение Потенье

Способность частиц порошка создавать заряд при прохождении через поле короны определяется уравнением Потенье.

ГДЕ
r = Радиус частицы
E = Напряженность поля
e = Заряд электрона
k = Подвижность электронов
n = Концентрация электронов
t = Время
?? = Абсолютная диэлектрическая проницаемость
? R = Относительная диэлектрическая проницаемость порошкового материала

Количество заряда прямо пропорционально геометрии напряженности поля и квадрату радиуса частицы.На это также влияет частица и время нахождения в зоне заряда.

Связаться с нами

приложений электростатики — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите некоторые из множества практических применений электростатики, включая несколько технологий печати. ​​
• Свяжите эти приложения со вторым законом Ньютона и электрической силой.

Исследование электростатики оказалось полезным во многих областях.Этот модуль охватывает лишь некоторые из множества применений электростатики.

Генератор Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа s (или Ван де Граафа) — это не только впечатляющие устройства, используемые для демонстрации высокого напряжения, вызванного статическим электричеством, они также используются для серьезных исследований. Первый был построен Робертом Ван де Граафом в 1931 году (на основе первоначальных предложений лорда Кельвина) для использования в исследованиях ядерной физики. (Рисунок) схематически показана большая исследовательская версия.Ван де Грааф использует как гладкие, так и заостренные поверхности, а также проводники и изоляторы для создания больших статических зарядов и, следовательно, больших напряжений.

Очень большой избыточный заряд может быть нанесен на сферу, потому что она быстро движется к внешней поверхности. Практические ограничения возникают из-за того, что большие электрические поля поляризуют и в конечном итоге ионизируют окружающие материалы, создавая свободные заряды, которые нейтрализуют избыточный заряд или позволяют ему уйти. Тем не менее, напряжение в 15 миллионов вольт находится в практических пределах.

Схема генератора Ван де Граафа. Аккумулятор ( A ) подает избыточный положительный заряд к заостренному проводнику, концы которого распыляют заряд на движущийся изолирующий пояс около дна. Заостренный проводник ( B ) наверху в большой сфере улавливает заряд. (Индуцированное электрическое поле в точках настолько велико, что снимает заряд с ремня.) Это может быть сделано, потому что заряд не остается внутри проводящей сферы, а перемещается к ее внешней поверхности.Источник ионов внутри сферы производит положительные ионы, которые ускоряются от положительной сферы до высоких скоростей.

Ксерография

Большинство копировальных машин используют электростатический процесс, называемый ксерографией — слово, образованное от греческих слов xeros для сухого и graphos для письма. Суть процесса показана в упрощенной форме на (Рисунок).

Ксерография — это процесс сухого копирования, основанный на электростатике. Основными этапами процесса являются зарядка фотопроводящего барабана, перенос изображения, создание дубликата положительного заряда, притяжение тонера к заряженным частям барабана и перенос тонера на бумагу.Не показаны термическая обработка бумаги и очистка барабана для следующего экземпляра.

На алюминиевый барабан с селеновым покрытием напыляется положительный заряд из точек устройства, называемого коротроном. Селен — вещество с интересным свойством — это фотопроводник. То есть селен является изолятором в темноте и проводником на свету.

На первой стадии процесса ксерографии проводящий алюминиевый барабан заземляется так, что отрицательный заряд индуцируется под тонким слоем однородно положительно заряженного селена.На втором этапе поверхность барабана подвергается изображению того, что нужно скопировать. В тех местах, где изображение светлое, селен становится проводящим, а положительный заряд нейтрализуется. В темных областях остается положительный заряд, поэтому изображение перенесено на барабан.

На третьем этапе сухой черный порошок, называемый тонером, распыляется с отрицательным зарядом, так что он притягивается к положительным участкам барабана. Затем чистый лист бумаги получает больший положительный заряд, чем барабан, так что он вытягивает тонер из барабана.Наконец, бумага и электростатически удерживаемый тонер проходят через нагретые прижимные ролики, которые плавятся и прочно прикрепляют тонер к волокнам бумаги.

Лазерные принтеры

Лазерные принтеры

используют ксерографический процесс для создания высококачественных изображений на бумаге, используя лазер для создания изображения на фотопроводящем барабане, как показано на (Рисунок). В наиболее распространенном применении лазерный принтер принимает выходные данные с компьютера, и он может обеспечить высокое качество печати благодаря точности, с которой можно управлять лазерным светом.Многие лазерные принтеры выполняют значительную обработку информации, например, создают сложные буквы или шрифты, и в прошлом могли содержать компьютер более мощный, чем тот, который давал им необработанные данные для печати.

В лазерном принтере лазерный луч сканируется через фотопроводящий барабан, оставляя положительно заряженное изображение. Остальные шаги для зарядки барабана и переноса изображения на бумагу такие же, как и в ксерографии. Лазерным светом можно очень точно управлять, что позволяет лазерным принтерам создавать высококачественные изображения.

Струйные принтеры и электростатическая окраска

Струйный принтер, обычно используемый для печати компьютерного текста и графики, также использует электростатику. Сопло выпускает мелкую струю из крошечных капелек чернил, которые затем получают электростатический заряд ((Рисунок)).

После заряда капли можно направлять с помощью пар заряженных пластин, чтобы с большой точностью формировать буквы и изображения на бумаге. Струйные принтеры могут создавать цветные изображения с помощью черной струи и трех других струй с основными цветами, обычно голубым, пурпурным и желтым, подобно тому, как цветной телевизор производит цвет.(Это сложнее с ксерографией, требующей нескольких барабанов и тонеров.)

Сопло струйного принтера производит мелкие капли чернил, на которые наносится электростатический заряд. Затем используются различные управляемые компьютером устройства для направления капель в нужные места на странице.

Электростатическая окраска использует электростатический заряд для распыления краски на поверхности необычной формы. Взаимное отталкивание одинаковых зарядов заставляет краску улетать от своего источника.Поверхностное натяжение образует капли, которые затем притягиваются разнородными зарядами к окрашиваемой поверхности. Электростатическая окраска может достигать труднодоступных мест, контролируя нанесение ровного слоя. Если объект является проводником, электрическое поле перпендикулярно поверхности, стремясь направить капли перпендикулярно. Углы и точки на проводниках будут покрашены дополнительной краской. Аналогичным образом можно применить войлок.

Дымоочистители и электростатическая очистка воздуха

Еще одно важное применение электростатики можно найти в воздухоочистителях, больших и малых.Электростатическая часть процесса накладывает избыточный (обычно положительный) заряд на дым, пыль, пыльцу и другие частицы в воздухе, а затем пропускает воздух через противоположно заряженную решетку, которая притягивает и удерживает заряженные частицы ((Рисунок))

Крупные электрофильтры используются в промышленности для удаления излишка частиц из выбросов дымовых газов, связанных с сжиганием угля и нефти. Домашние электрофильтры, часто в сочетании с домашними системами отопления и кондиционирования воздуха, очень эффективны в удалении загрязняющих частиц, раздражителей и аллергенов.

(а) Схема электрофильтра. Воздух пропускается через решетки противоположного заряда. Первая сетка заряжает частицы в воздухе, а вторая притягивает и собирает их. (b) Эффект от электростатических фильтров выражается в отсутствии дыма от этой электростанции. (кредит b: модификация работы «Cmdalgleish» / Wikimedia Commons)

Резюме

• Электростатика — это изучение электрических полей в статическом равновесии.
• Помимо исследований с использованием такого оборудования, как генератор Ван де Граафа, существует множество практических приложений электростатики, включая копировальные аппараты, лазерные принтеры, струйные принтеры и электростатические воздушные фильтры.

Концептуальные вопросы

Почему металлические опорные стержни для антенн спутниковой сети обычно заземляются?

Чтобы молния попадала в землю вместо телеаппаратуры.

(а) Почему рыба достаточно безопасна во время грозы? б) Почему пловцам все же приказывают выходить из воды в таких же обстоятельствах?

В чем сходство и различие процессов в копировальном аппарате и электрофильтре?

Оба они используют статическое электричество, чтобы прикреплять мелкие частицы к другой поверхности.Однако осадитель должен заряжать самые разные частицы и не предназначен для обеспечения того, чтобы они приземлились в определенном месте.

Примерно какой потенциал используется для зарядки барабана копировальной машины? Может оказаться полезным поиск в Интернете по запросу «ксерография».

Проблемы

(a) Какое электрическое поле находится в 5,00 м от центра терминала ван де Граафа с зарядом 3,00 мКл, учитывая, что поле эквивалентно полю точечного заряда в центре терминала? б) Какую силу поле действует на заряд на поясе Ван де Граафа на таком расстоянии?

(а) Каковы направление и величина электрического поля, которое поддерживает вес свободного электрона у поверхности Земли? (б) Обсудите, что означает малое значение этого поля относительно относительной силы гравитационных и электростатических сил.

а. ;

Электрическое поле направлено к поверхности Земли. б. Кулоновская сила намного сильнее силы тяжести.

Простой и распространенный метод ускорения электронов показан на (Рисунок), где между двумя пластинами существует однородное электрическое поле. Электроны высвобождаются, обычно из горячей нити накала, рядом с отрицательной пластиной, а в положительной пластине есть небольшое отверстие, которое позволяет электронам продолжать движение. (а) Рассчитайте ускорение электрона, если напряженность поля равна.(б) Объясните, почему электрон не притягивается обратно к положительной пластине, когда он проходит через отверстие.

Параллельно проводящие пластины с противоположными зарядами на них создают относительно однородное электрическое поле, используемое для ускорения электронов вправо. Те, что проходят через отверстие, можно использовать для свечения экрана телевизора или компьютера или для получения рентгеновских лучей.

В счетчике Гейгера тонкий металлический провод в центре металлической трубки находится под высоким напряжением по отношению к металлической трубке.Ионизирующее излучение, попадающее в трубку, сбивает электроны с молекул газа или сторон трубки, которые затем ускоряются к центральному проводу, сбивая еще больше электронов. Этот процесс в конечном итоге приводит к лавине, которую можно обнаружить как ток. Конкретный счетчик Гейгера имеет трубку с радиусом R , а внутренний провод с радиусом a находится под потенциалом вольт по отношению к внешней металлической трубке. Рассмотрим точку P на расстоянии s от центрального провода и далеко от концов.(a) Найдите формулу для электрического поля в точке P внутри, используя приближение бесконечной проволоки. (b) Найдите формулу для электрического потенциала в точке P внутри. (c) Используйте и найдите значение электрического поля в точке на расстоянии 1,00 см от центра.

Практический предел электрического поля в воздухе составляет около. Выше этой силы возникает искрение, потому что воздух начинает ионизироваться. (а) При этой напряженности электрического поля, как далеко пролетит протон, прежде чем достигнет скорости света (игнорируя релятивистские эффекты)? б) Практично ли оставлять воздух в ускорителях частиц?

Найдите электростатическую энергию восьми одинаковых зарядов, каждый из которых закреплен в углах куба со стороной 2 см.

Вероятность слияния значительно возрастает, когда соответствующие ядра сближаются, но взаимное кулоновское отталкивание необходимо преодолевать. Это можно сделать, используя кинетическую энергию ионов высокотемпературного газа или ускоряя ядра друг к другу. (а) Рассчитайте потенциальную энергию двух однозарядных ядер, разделенных расстоянием (б) При какой температуре атомы газа будут иметь среднюю кинетическую энергию, равную этой необходимой электрической потенциальной энергии?

а.;
г.

Голое ядро ​​гелия имеет два положительных заряда и массу. (а) Вычислите его кинетическую энергию в джоулях со скоростью света. б) Что это в электрон-вольтах? (c) Какое напряжение потребуется для получения этой энергии?

Электрон входит в область между двумя большими параллельными пластинами из алюминия, разделенными расстоянием 2,0 см и поддерживающими разность потенциалов 200 В. Электрон входит через небольшое отверстие в отрицательной пластине и движется к положительной пластине.В то время, когда электрон находится рядом с отрицательной пластиной, его скорость равна. Предположим, что электрическое поле между пластинами однородное, и найдем скорость электрона: (a) 0,10 см, (b) 0,50 см, (c) 1,0 см, и (d) 1,5 см от отрицательной пластины, и (e) непосредственно перед ударом о положительную пластину.

Как далеко друг от друга находятся две проводящие пластины, между которыми существует напряженность электрического поля, если их разность потенциалов составляет 15,0 кВ?

(a) Будет ли напряженность электрического поля между двумя параллельными проводящими пластинами превышать предел прочности сухого воздуха, если пластины разделены на 2.00 мм и приложена разность потенциалов? (б) Насколько близко друг к другу могут быть пластины при приложенном напряжении?

а. ;
г.

Мембранные стенки живых клеток имеют на себе удивительно большие электрические поля из-за разделения ионов. Каково напряжение на мембране толщиной 8,00 нм, если напряженность электрического поля на ней составляет 5,50 МВ / м? Вы можете предположить однородное электрическое поле.

Двухзарядный ион ускоряется до энергии 32,0 кэВ электрическим полем между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными расстоянием 2.00 см. Какая напряженность электрического поля между пластинами?

Считается, что температура около центра Солнца составляет 15 миллионов градусов по Цельсию (или кельвину). Через какое напряжение должен быть ускорен однозарядный ион, чтобы он имел такую ​​же энергию, как средняя кинетическая энергия ионов при этой температуре?

Молния ударяет в дерево, перемещая 20,0 Кл заряда через разность потенциалов а) Какая энергия была рассеяна? б) Какую массу воды можно было поднять до точки кипения, а затем вскипятить с помощью этой энергии? (c) Обсудите ущерб, который может быть нанесен дереву из-за расширения кипящего пара.

а. ;
г. ;
г. Расширение пара при кипении может буквально разнести дерево на части.

Каков потенциал протона (среднее расстояние между протоном и электроном в атоме водорода)?

(a) У сферы есть поверхность, равномерно заряженная 1,00 C. На каком расстоянии от ее центра потенциал 5,00 МВ? б) Что ваш ответ подразумевает практический аспект выделения такого большого заряда?

а. ; б. Заряд 1-C — это очень большой заряд; сфера 1.80 км нецелесообразно.

Каков знак и величина точечного заряда, создающего потенциал –2,00 В на расстоянии 1,00 мм?

В одном из классических экспериментов по ядерной физике в начале двадцатого века альфа-частица была ускорена к ядру золота, и ее путь был существенно отклонен кулоновским взаимодействием. Если энергия двухзарядного альфа-ядра составляла 5,00 МэВ, насколько близко оно могло подойти к ядру золота (79 протонов), прежде чем отклониться?

Альфа-частица приближается к ядру золота, пока ее первоначальная энергия не преобразуется в потенциальную., так что

(размер ядра золота около).

Дополнительные проблемы

Подогреватель бутылочек на 12,0 В нагревает 50,0 г стекла, детского питания и алюминия от до. (а) Насколько заряжен аккумулятор? (б) Сколько электронов течет в секунду, если для разогрева формулы требуется 5,00 мин? ( Подсказка: Предположим, что удельная теплоемкость детской смеси примерно такая же, как удельная теплоемкость воды.)

В автомобиле с батарейным питанием используется 12.Система 0-В. Найдите заряд, который батареи должны быть в состоянии двигаться, чтобы разогнать автомобиль весом 750 кг от состояния покоя до 25,0 м / с, заставить его подняться на высокий холм и, наконец, заставить его двигаться с постоянной скоростью 25,0 м / с при подъеме с силой. в течение часа.

(a) Найдите напряжение около металлической сферы диаметром 10,0 см, на которой имеется 8,00 C избыточного положительного заряда. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

Равномерно заряженное полукольцо радиусом 10 см кладут на непроводящий стол.Обнаружено, что на 3,0 см выше центра полукольца потенциал составляет –3,0 В по отношению к нулевому потенциалу на бесконечности. Сколько заряда в полукольце?

Стеклянное кольцо радиусом 5,0 см окрашено заряженной краской, так что плотность заряда вокруг кольца непрерывно изменяется, определяемая следующей функцией полярного угла. Найдите потенциал в точке на 15 см выше центра.

CD-диск с радиусом () опрыскивается заряженной краской, так что заряд непрерывно изменяется с радиальным расстоянием r от центра следующим образом:.

Найдите потенциал в точке на 4 см выше центра.

(a) Какова конечная скорость электрона, ускоряемого из состояния покоя за счет напряжения 25,0 МВ отрицательно заряженной клеммой Ван-де-Граффа? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

Большая металлическая пластина равномерно заряжена до плотности. Как далеко друг от друга находятся эквипотенциальные поверхности, которые представляют разность потенциалов 25 В?

Вспомните из предыдущей главы, что электрическое поле однородно во всем пространстве, и что для однородных полей мы имеем отношение.Таким образом, получаем расстояние между эквипотенциалами 25 В.

Ваш друг действительно воодушевляется идеей сделать громоотвод или, может быть, просто искрящуюся игрушку, соединив две сферы, как показано на (Рисунок), и сделав их настолько маленькими, что электрическое поле будет больше, чем электрическая прочность воздуха, только от обычное электрическое поле 150 В / м у поверхности Земли. Если 10 см, насколько маленьким он должен быть, и кажется ли это практичным? ( Подсказка: вспомните расчет электрического поля на поверхности проводника из закона Гаусса.)

(a) Найдите предел потенциала конечного однородно заряженного стержня и покажите, что он совпадает с таковым в формуле точечного заряда. б) Почему вы ожидали такого результата?

а. Возьмите результат из (Рисунок), разделите числитель и знаменатель на x , возьмите его предел, а затем примените расширение Тейлора к полученному журналу, чтобы получить:; б. что и является результатом, которого мы ожидаем, потому что на больших расстояниях это должно выглядеть как точечный заряд

Маленький сферический стержневой шар радиуса 0.50 см окрашивается серебряной краской и затем ставится на нее заряд. Заряженный пробковый шар помещается в центр золотой сферической оболочки с внутренним радиусом 2,0 см и внешним радиусом 2,2 см. (а) Найдите электрический потенциал золотой оболочки относительно нулевого потенциала на бесконечности. б) Сколько заряда нужно поставить на золотую оболочку, если вы хотите сделать ее потенциал равным 100 В?

Две параллельные проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поперечного сечения, находятся на расстоянии 2,0 см друг от друга и не заряжены. Если электроны переносятся с одной пластины на другую, (а) какова разность потенциалов между пластинами? (б) Какова разность потенциалов между положительной пластиной и точкой 1.25 см от того, что между пластинами?

а. ; б.

Точечный заряд помещается в центр незаряженной сферической проводящей оболочки с внутренним радиусом 6,0 см и внешним радиусом 9,0 см. Найдите электрический потенциал в точке (a) (b) (c)

Земля имеет чистый заряд, который создает на ее поверхности электрическое поле приблизительно 150 Н / Кл, направленное вниз. а) Какова величина и знак избыточного заряда, учитывая, что электрическое поле проводящей сферы эквивалентно точечному заряду в ее центре? (б) Какое ускорение поле вызовет у свободного электрона у поверхности Земли? (c) Вес какой массы объекта с одним лишним электроном будет поддерживаться этим полем?

точечных зарядов размещаются 0.500 м друг от друга.

(а) В какой точке на линии между ними электрическое поле равно нулю?

(б) Какое электрическое поле находится на полпути между ними?

Вычислите угловую скорость электрона, движущегося вокруг протона в атоме водорода, учитывая радиус орбиты. Вы можете предположить, что протон неподвижен, а центростремительная сила создается за счет кулоновского притяжения.

Задачи задачи

Три и три иона размещены попеременно на равном расстоянии друг от друга по окружности радиусом 50 нм.Найдите накопленную электростатическую энергию.

Найдите (предположительно в Интернете или разобрав старое устройство и сделав измерения) величину потенциальных отклоняющих пластин (и расстояние между ними) в струйном принтере. Затем посмотрите, с какой скоростью чернила выходят из сопла. Можете ли вы рассчитать типичную массу капли чернил?

Ответы будут разными. Похоже, что это конфиденциальная информация, и ее до смешного трудно найти. Скорости будут не более 20 м / с, а на массу капли заявлены граммы.

Используйте электрическое поле конечной сферы с постоянной объемной плотностью заряда для вычисления электрического потенциала во всем пространстве. Затем проверьте свои результаты, рассчитав электрическое поле по потенциалу.

Рассчитайте электрическое поле диполя во всем пространстве по потенциалу.

Глоссарий

электрофильтры

фильтры, которые накладывают заряды на частицы в воздухе, затем притягивают эти заряды к фильтру, удаляя их из воздушного потока

струйный принтер

маленькие капли чернил, распыляемые с помощью электрического заряда, управляются электростатическими пластинами для создания изображений на бумаге

фотобарабан

Вещество, которое является изолятором, пока оно не подвергается воздействию света, когда оно становится проводником

Генератор Ван де Граафа

Машина, производящая большое количество избыточного заряда, использовалась для экспериментов с высоким напряжением

ксерография

Процесс сухого копирования на основе электростатики

Образование электростатического заряда — в гидравлических и смазочных системах

Генерация электростатического заряда происходит в жидкостных системах в результате трения между жидкостью и компонентами системы.Величина заряда зависит от многих взаимосвязанных факторов, в том числе от окружающей среды.

Заряды могут возникать при фильтрации гидравлических и смазочных жидкостей, а также дизельного и бензинового топлива. Этот эффект проявляется несколькими способами, наиболее очевидным из которых является слышимый шум (звук щелчка), поскольку разряд накопления электростатического заряда вызывает искрение внутри системы.

Менее очевидные эффекты связаны с миграцией электрического заряда за фильтром, когда заряд рассеивается путем разряда на заземленную поверхность.

В этой статье обсуждаются механизмы генерации электростатического заряда и факторы, которые влияют как на генерацию, так и на рассеивание заряда.

Генерация электростатического заряда в жидких системах

Электростатический заряд генерируется разными способами всякий раз, когда возникает трение между двумя телами, движущимися относительно друг друга.

Генерация заряда происходит в жидких системах на молекулярном уровне на границе раздела любых двух разных материалов, поэтому статический заряд будет генерироваться в любой движущейся жидкости с положительными или отрицательными зарядами, перемещающимися из жидкости на ограничивающую поверхность.К причинам возникновения электростатического заряда относятся следующие примеры:

• Трение из-за протекания жидкости в трубах

• Высокая скорость жидкости

• Текущие жидкости в незаземленных трубопроводах и шлангах

• Прохождение жидкости через фильтрующие элементы или другие микропористые структуры

• Создается турбулентностью в жидкостях и насосными элементами, особенно центробежными насосами

• Сброс жидкости на свободную поверхность резервуара

• Когда в жидкости присутствует свободный воздух, например, в возвратных линиях подшипников и бумагоделательных машин

• Вносится в жидкость при скольжении поверхностей компонентов относительно друг друга

Жидкость приобретает заряд, когда течет через трубу или микропористую структуру, и когда этот заряд переносится вниз по потоку, это называется текущим током (рис. 1).

Рисунок 1. Потоковый ток

В трубопроводном потоке текущий поток будет отводиться обратно к стенкам трубы, резервуару или поверхностям компонентов, а скорость выпуска регулируется характеристиками жидкости и ее добавок. Эта релаксация заряда описывается следующими уравнениями:

где:

Q _t = заряд в момент t

Q _o = начальный заряд

t = постоянная времени релаксации заряда (соответствует 37-процентному распаду заряда)

E = диэлектрическая проницаемость жидкости (приблизительно 2 для масел)

E ₀ = абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8.854 x 10 ^{— 12} Ф / м)

K = проводимость остатка жидкости (пСм / м)

Если стенки компонента являются проводящими, то на стенках будет индуцироваться заряд, полярность которого противоположна жидкости. Если внешняя поверхность заземлена, чистый заряд будет равен нулю. В противном случае заряд будет накапливаться и со временем разрядиться.

Это вызовет электростатический разряд, при котором заряд разряжается на поверхность при более низком напряжении. При этом он может генерировать искру высокой энергии.Если разряд происходит в воздухе, результаты могут быть как впечатляющими, так и потенциально опасными (рис. 2).

Электростатический разряд обычно проявляется в виде щелкающего звука, когда заряд многократно увеличивается и разряжается на поверхности с более низким напряжением (обычно на землю или землю) посредством искры. Частота щелчков зависит от скорости зарядки.

Очевидно, что если разряд происходит в легковоспламеняющейся атмосфере, эффект может быть серьезным, но такие случаи редки.Разряд внутри системы обычно недолговечен и гасится гидравлической жидкостью. Это может привести к травлению разряженной поверхности, возможно, к удалению микроскопических частиц и оставлению углеродных отложений на поверхности.

Есть также свидетельства того, что локальные выбросы могут возникать на смазанных поверхностях, особенно в системах с зубчатыми колесами и подшипниками с высоким содержанием воздуха. Это может способствовать появлению точечной коррозии поверхностей.

Загрузка в систему фильтрации углеводородов

Многие исследователи изучали образование электростатического заряда при фильтрации жидких углеводородов.Генерируемый заряд может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от фиксированного заряда фильтрующего материала и используемой жидкости.

Из-за относительно низкой проводимости углеводородных жидкостей эти заряды уносятся вниз по потоку и накапливаются без немедленного сброса. Количество заряда, создаваемого потоком углеводородной жидкости и фильтрацией, связано с несколькими свойствами жидкости и фильтра.

Генерация заряда обычно усиливается с увеличением потока, снижением проводимости жидкости, с определенными пакетами присадок и с увеличением вязкости.Накопление заряда увеличивается при более низкой проводимости масла, более низких температурах и более высокой вязкости.

В корпусе фильтра заряд фильтра будет противоположным по знаку заряду жидкости, и заряды, индуцированные в системе, будут соответственно противоположными.

Заряд жидкости будет передаваться вниз по потоку, и если накопится достаточно заряда, жидкость может разрядиться в проводящую часть системы фильтрации, которая потенциально имеет меньшую величину, тем самым повреждая эту часть системы.Степень повреждения зависит от материала.

Если фильтр сделан из непроводящего материала, он будет заряжаться при зарядке жидкости. Заряд не сможет рассеяться или расслабиться в системе фильтрации из-за высокого удельного сопротивления материала. Фильтр будет действовать как конденсатор и заряжаться до тех пор, пока напряжение не станет достаточно большим, чтобы преодолеть зазор и разрядиться до более низкого потенциала.

Если фильтр заряжен достаточно высоким напряжением, он может разрядиться в металлические части корпуса узла фильтра, вызывая повреждение поверхности корпуса, ожоги и другие повреждения фильтрующего элемента.Щелчок или дребезжание в корпусе фильтра, вызванное искрой, указывает на этот цикл зарядки и разрядки.

Во многих случаях система фильтрации, включая трубопроводы, резервуар и корпус фильтра, заземлена, чтобы снизить опасность накопления статического заряда. Использование заземленной системы предотвращает искрение системы на соседние проводники; однако заземление системы не предотвратит зарядку фильтрующего материала или жидкости и не ускорит процесс разряда.

Были предприняты различные попытки уменьшить возможность накопления статического заряда в системах фильтрации, а именно:

• Используйте антистатическую добавку. Такие добавки увеличивают проводимость жидкости, тем самым увеличивая скорость релаксации заряда. Антистатические присадки долгое время успешно применялись в топливных системах, но не были одобрены производителями масел для использования в гидравлических и смазочных системах. Присадки, представленные на рынке, предназначены для топливных систем.

• Уменьшите заряд, выходящий из фильтра, добавив проводящую сетку после фильтрующего материала, которая сбрасывает часть заряда фильтрующего материала. Однако не весь заряд жидкости выгружается, потому что отверстие сетки не может быть слишком маленьким или оно ограничит поток.

• Уменьшите плотность потока в фильтрующем материале, увеличив размер фильтра. Это уменьшит генерируемый заряд, так как он зависит от плотности потока и, возможно, является самым простым из этих вариантов.Однако это не во всех случаях практично.

• Увеличьте время разложения заряда. Это потребует увеличения времени между последовательными генераторами заряда за счет дополнительных трубопроводов или увеличения общей постоянной времени системы за счет использования дополнительного резервуара. Это эффективное, но дорогостоящее решение.

Влияние проводимости жидкости

Как и при обсуждении затухания заряда, следует отметить, что время затухания в основном зависит от проводимости жидкости.Промышленные смазочные масла обычно представляют собой высокоочищенные масла с низкой концентрацией присадок и, как следствие, обычно имеют низкую проводимость.

С другой стороны, гидравлические масла традиционно обладают высокой проводимостью из-за использования добавок на металлической основе, таких как диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP), так что заряд, переносимый маслом, обычно рассеивается при прохождении по системе. Накопленный заряд обычно остается на уровне, при котором не происходит разряда.

Забота об окружающей среде стимулировала разработку как масел, так и фильтров. Обеспокоенность по поводу утечки масла привела к увеличению использования синтетических масел и масел с неметаллическими противоизносными присадками, обычно основанными на серно-фосфорной химии.

Эти масла могут иметь низкую проводимость, причем некоторые из них ниже изоляционных масел, используемых в трансформаторах и распределительных устройствах, как показано в таблице 1. Более низкая проводимость означает, что генерируемый заряд не может рассеиваться в достаточной степени, увеличивая уровень накопленного заряда и, следовательно, вероятность разряда. .

Для сравнения, для авиационного топлива ASTM D4865 предоставляет рекомендуемые пределы проводимости, чтобы предотвратить любую возможность искрового воспламенения. Например, некоторые военные спецификации требуют электропроводности топлива от 100 до 700 пСм / м.

Фильтрующие элементы изготавливаются таким образом, чтобы их было легче утилизировать путем дробления и сжигания и без необходимости утечки металла, поскольку поддерживающий сердечник / кожух находится внутри корпуса, а не в элементе.Это означает более широкое использование полимеров в фильтрах и может привести к более высокому накопленному заряду.

Комбинация более низкой проводимости и более высокого накопленного заряда привела к увеличению статического разряда, а именно к звуку щелчка, когда заряд разряжается на металлические поверхности после фильтрующей среды, а также к прожженным следам на пластиковых торцевых крышках и полимерной дренажной сетке после них.

Повышенная активность статического разряда побудила Pall Corporation исследовать этот предмет и провести исследования фильтрующих материалов, которые позволили бы снизить заряд.Об этом будет рассказано в следующем выпуске журнала Practicing Oil Analysis .

Список литературы

1. Хубер П. и Сонин А. «Теория заряда жидких углеводородных флюидов». J. Colloid Interface Sci. 61, 109, (1977).

2. Бенш Л. «Управление эффектами статического заряда с помощью многопроходного теста с использованием альтернативной жидкости». Представлено ISO TC131 / SC8 / WG9 (май 1993 г.).

3. Соломон, Т. «Вредное воздействие электростатических зарядов на машины и смазочные масла». Институт нефти, Лондон, Великобритания, (март 1959 г.)

4. Леонард Дж. И Кархарт Х. «Влияние проводимости на образование заряда в углеводородном топливе, протекающем через стекловолоконные фильтры». J. Colloid Interface Sci. 32, 383, (1970).

5. Хубер П., Сонин А.«Электрический заряд при фильтрации жидких углеводородов: сравнение теории и экспериментов». J. Colloid Interface Sci. 61, 126, (1977).

6. Бастин В. и Дюкек В. Электростатические опасности в нефтяной промышленности . Research Studies Press Ltd., Англия, (1983).

7. ASTM D4865-91. «Стандартное руководство по генерации и рассеиванию статического электричества в нефтяных топливных системах». Американское общество испытаний и материалов (1991).

Об авторе

Об авторе

Электростатика: бесконтактная сила

Эта идея фокусировки исследована через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

У студентов есть много опыта, например, правильная установка батареек в устройства и «подзарядка» разряженных батарей, что приводит учеников к конструированию значений этих терминов.Эти значения часто очень тесно связаны с конкретным опытом.

Многие учащиеся испытали небольшие, но запоминающиеся поражения электрическим током в результате «статического электричества», когда выходили из машины в теплый и сухой день или намеренно терлись обувью по синтетическому ковру и касались металлической дверной ручки или друг друга. Некоторые студенты также играли с использованием «статического электричества» для притяжения или отталкивания очень легких объектов, например собирать небольшие кусочки бумаги или притягивать волосы натертой пластиковой расческой или линейкой.

Студенты часто не связывают события, связанные с получением электрического шока (например, игру на батуте), с аналогичными событиями, которые связаны со статическим электрическим притяжением (например, наблюдение за одеждой, которая выходит из сушилки для белья, или с сахарными крупинками, которые притягиваются к ней). внутренняя поверхность пластикового контейнера при встряхивании). Для младших школьников эти события не связаны общим представлением об их «электростатическом» происхождении, и студент не может установить эту связь без поощрения.

Понятно, что многие младшие школьники не видят необходимости различать электростатические силы и магнитные силы. Им кажется, что это обычный опыт одной и той же бесконтактной силы. Например, воздушный шар, который «натирают» тканью, что приводит к его притяжению к потолку, студенты (и некоторые взрослые) часто ошибочно описывают как «намагниченный».

Для многих студентов драматическое наблюдение разряда молнии — одно из самых запоминающихся переживаний, когда они «видят» эффекты движения большого количества электрического заряда, хотя этот опыт часто неправильно приписывают другим явлениям.

Исследования: Benseghir & Closset (1996), Guisasola (1995), Harrington (1999), Henriques (2000), McIntyre (1974), Park, Kim, Kim & Lee (2001), Seroglou, Koumaras & Tselfes (1998)

Scientific view

Притяжение и отталкивание электрических зарядов — одна из трех фундаментальных сил бесконтактного действия в природе. Остальные — это магнетизм и сила тяжести (см. Идею фокусировки
Силы бесконтактные).

Есть только два известных типа зарядов, которые ученые назвали «положительными» и «отрицательными».Эти имена были выбраны исторически, чтобы указать, что они каким-то образом «противоположны» друг другу, чтобы подчеркнуть две различные наблюдаемые формы. Ученые не знают точно, что такое заряд и чем эти два типа зарядов отличаются друг от друга; однако каждый влияет на себя и свою противоположную форму.

Положительно и отрицательно заряженные объекты притягиваются или притягиваются друг к другу, в то время как похожие заряженные объекты (2 положительных или 2 отрицательных) отталкиваются или отталкиваются друг от друга. Заряженные объекты не должны соприкасаться, чтобы между ними возникли силы отталкивания или притяжения; я.е. можно наблюдать, как они влияют друг на друга на коротких расстояниях и без необходимости в каком-либо промежуточном веществе, например воздух.

Когда предмет, сделанный из хорошего электрического изолятора, такого как пластик или стекло, энергично натирают другим гибким электрическим изолятором, сделанным из меха, хлопка или шерсти, заряд одного типа может перемещаться с поверхности одного изолятора на поверхность другой. На Рис. 1 ниже перед трением каждый элемент электрически сбалансирован. На Рис. 2 ниже после трения пластиковая линейка стала отрицательно заряженной, а хлопок — положительно заряженной.Трение не создает зарядов, а перераспределяет заряд между двумя объектами. Вследствие различного общего заряда две поверхности, когда они разделены, будут притягиваться друг к другу.

Заряженные объекты можно создавать, используя методы, альтернативные трению или скольжению, но все они требуют, чтобы две поверхности находились в тесном контакте, а затем разделялись. Другими примерами являются разделение двух пластиковых листов или удаление клейкой ленты с листа стекла. Заряженные объекты также будут влиять на все другие маленькие «незаряженные» объекты, чтобы они становились частично противоположно заряженными, когда их приближали к ним.Это заставляет их привлекаться друг к другу. Например, заряженный гребешок будет притягивать к себе мелкие предметы, например, крупинки сахара. Если зерна сахара соприкоснутся с гребнем, то через некоторое время некоторые из них приобретут такой же заряд, что и гребешок, и будут быстро отталкиваться.

Количество заряда на поверхности любого объекта со временем будет медленно уменьшаться, поскольку заряд в конечном итоге уносится водяным паром в окружающем воздухе. Например, заряженный воздушный шар со временем упадет с потолка, когда его заряд уменьшится.

Естественные проявления движения заряда, такие как молния, чаще всего возникают в грозовых облаках и реже над извергающимися вулканами или во время пыльных бурь. В грозовых облаках заряд перераспределяется неравномерно (части будут положительными, а другие — отрицательными). Этот дисбаланс может накапливаться до такой степени, что воздух становится проводником, и дисбаланс уменьшается благодаря быстрой искре внутри облака или к Земле. . Это вспышка молнии, которую мы видим. Гром, который мы часто слышим, является результатом этой мощной искры, которая быстро нагревает воздух.

Ученые все еще пытаются выяснить, почему именно в грозовых облаках возникает дисбаланс заряда.

См. Веб-сайты, перечисленные в
Раздел «Дополнительные ресурсы» для получения дополнительной информации.

Критические идеи обучения

• Электростатические силы — это силы без контакта; они тянут или толкают предметы, не касаясь их.
• Трение некоторых материалов друг о друга может привести к тому, что нечто, называемое «зарядом», будет перемещаться с одной поверхности на другую.
• Заряженные предметы притягивают другие незаряженные предметы и могут толкать или тянуть другие заряженные предметы.
• Есть два вида начислений; ученые не знают точно, что такое заряд и чем отличаются эти два типа зарядов; они называют эти два вида «положительными» и «отрицательными».
• Молния — это результат быстрых движений заряда в грозовых облаках.

Изучите взаимосвязь между представлениями о зарядовых и неконтактных силах в
Карты развития концепции — Электричество и магнетизм

На этом уровне основное внимание должно быть направлено на поощрение учащихся к наблюдению и изучению электростатических явлений через игру, что приведет к разработке простых объяснений наблюдаемого притяжения и отталкивания заряженных объектов.Студентов следует поощрять различать электростатические силы и магнитные силы как различные примеры бесконтактных сил.

Включение действий, связанных с протиранием
два похожих пластиковых объекта из одного и того же материала важны, так как только в этих случаях вы можете увидеть два одинаковых заряженных объекта, отталкивающих друг друга, как демонстрацию отталкивания одинаковых зарядов.

Основная идея, которую должны понять учащиеся, состоит в том, что электростатические силы — это силы неконтактного действия; На этом уровне не важно подчеркивать студентам, что «одинаковые обвинения отталкиваются, а непохожие — притягиваются».Более уместно продемонстрировать, что заряженные объекты притягивают незаряженные объекты и могут либо притягивать, либо отталкивать другие заряженные объекты.

Постарайтесь сосредоточить внимание студентов на повседневных «электростатических» переживаниях. Обычно это связано с тем, что один объект заряжается от трения, а другой — нет. Обычно используются натертые пластиковые гребни и линейки, привлекающие кусочки бумаги, но исследования студентов не должны ограничиваться только ими.

Идеи, которые студенты привносят в эту область, разнообразны и в большинстве случаев не очень сильны.Использование демонстраций и просьба к студентам предсказать, что может случиться, обычно являются сильным подходом к выявлению существующих у студентов представлений об электростатике на этом уровне.

Исследования: Гизасола (1995), Макинтайр (1974)

Обучающие задания

Когда в воздухе много влаги (например, когда влажная погода и / или идет дождь), очень трудно создать электростатические эффекты и ощутить описанные результаты. Запланируйте эти занятия в теплую и сухую погоду.

Начать обсуждение через общий опыт

Рассмотрите возможность использования действия «Прогнозировать-Наблюдать-Объяснить», чтобы вызвать обсуждение. В тихой теплой комнате полностью надуйте круглый воздушный шар и подвесьте его к потолку или стропильной ферме, используя длинную нейлоновую нить (или тонкую леску).

Теперь протрите баллон куском шерсти / синтетического материала или джемпера, чтобы он стал заряженным. Попросите учащихся предсказать, что произойдет, если вы поднесете материал или джемпер, которым натирали их, рядом с воздушным шаром.

Заряд трущегося материала будет отличаться от заряда шара по мере того, как заряд перемещается от одного объекта к другому. Баллон и трущийся материал должны стягивать друг друга, проявляя силу притяжения.

Теперь добавьте еще один шарик, чтобы он висел рядом с первым. Еще раз протрите каждый воздушный шар тем же куском шерсти / синтетического материала или джемпером, который вы носите. Теперь они должны стать заряженными одинаково. Отойдите подальше, и вы и ученики увидите, как два шара разделяются, когда они пытаются оттолкнуться, толкая друг друга.

Попросите учащихся предсказать, произойдут ли изменения со временем. Изменится ли положение воздушных шаров? Студента следует научить понимать, что воздушные шары будут медленно терять заряд и приближаться друг к другу, поскольку заряд со временем уменьшается.

Испытайте существующие взгляды учащихся

Снова используя надутый воздушный шар, подвесьте его, как и раньше, на отрезке тонкого хлопка или лески. Ни в коем случае не пытайтесь тереть или заряжать воздушный шар. Теперь попросите учеников предсказать, что произойдет, если вы поднесете стержневой магнит к воздушному шару.

Полезно принять любые предложения о различных способах поднесения магнита к воздушному шару (например, «Попробуйте использовать магнит наоборот». «Держите его плашмя рядом с воздушным шаром»). Вероятно, многие студенты предсказывают, что воздушный шар и магнит будет притягиваться (и поэтому, вероятно, захотят попробовать магнит рядом с воздушным шаром разными способами, когда они впервые не увидят никакого эффекта). Однако очень немногие студенты будут иметь какие-либо основания для поддержки этого прогноза — для большинства студентов предсказывается притяжение, потому что они никогда не различали магнитные и электростатические силы.Не используйте заряженный воздушный шар, потому что он будет притягиваться к большинству незаряженных объектов, и это может ошибочно подтвердить предположения учащегося.

Предложите открытую проблему для изучения в игре или путем решения задач

Раздайте воздушный шарик каждому члену класса. Призовите учеников сделать так, чтобы их воздушный шар оставался привязанным к потолку в течение длительного времени. Студентам нужно будет надуть и зарядить свой воздушный шар, выбрав один из множества синтетических материалов, предусмотренных для этой цели.Вы можете попросить учащихся измерить время секундомерами до точки падения воздушных шаров.

Призовите учащихся подумать о следующем, чтобы добиться успеха:

• Какого размера они должны надуть воздушный шар? Будет ли это иметь значение?
• Какой материал они должны использовать, чтобы натирать (заряжать) свой баллон?
• Как долго им следует тереть или заряжать воздушный шар перед попыткой?
• Воздушный шар какой формы выбрать — круглый или колбасный? Будет ли это иметь значение?

Подходы к этой деятельности могут быть разными.Студенты могут поиграть с материалами и обсудить свой опыт позже. Им также может быть предложено выбрать один вопрос и систематически его изучить.

Предоставьте учащимся широкий выбор синтетических и натуральных материалов, таких как мех и хлопок, на выбор и испытание. Также можно использовать круглые воздушные шары и воздушные шары в форме колбасы.

Открытое обсуждение посредством общего опыта

Для другой демонстрации, которая продемонстрирует те же эффекты, что и воздушные шары, потребуются две прозрачные пластиковые линейки и небольшая пластиковая бутылка (вода или безалкогольный напиток — бутылка с крышкой шириной 2-3 сантиметра) .Потрите одну линейку шерстью (если вы носите шерстяной джемпер, быстро потирайте линейку под мышкой) и удерживайте ее на крышке бутылки. Теперь потрите вторую линейку и поднесите натертый конец этой второй линейки к натертому концу первой линейки. Вы увидите, что линейка на бутылке с напитком поворачивается от второй линейки, потому что две линейки одинаково заряжены и отталкивают друг друга. Если поднести противоположно заряженную «натертую» шерсть к одному из правителей, они будут притягиваться друг к другу.

Одним из способов стимулирования обсуждения было бы продемонстрировать это упражнение, а затем предложить учащимся найти связь с заданием, включающим зарядку двух воздушных шаров, описанных выше.

Сосредоточьте внимание учащихся на недооцененной детали

Соберите широкий спектр простых предметов домашнего обихода, в которых, как видно, действуют электростатические силы. Их можно изучать в классе с небольшими группами студентов.

Примеры предметов домашнего обихода могут включать:

• ряд пластиковых бутылок, содержащих небольшие количества легких предметов, таких как сотни и тысячи украшений для тортов, мелкие сухие зерна сахара, шелуху подорожника или воздушный рис.Попросите учащихся встряхнуть контейнеры, заставляя их содержимое заряжаться, когда они касаются внутренних стенок контейнера, который их привлекает.
• ряд пластиковых бутылок, содержащих небольшие количества легких предметов, таких как сотни и тысячи украшений для тортов, мелкие сухие зерна сахара, шелуха подорожника или воздушный рис. Попросите учащихся встряхнуть контейнеры, заставляя их содержимое заряжаться, когда они касаются внутренних стенок контейнера, который их привлекает.

Разъяснение и обобщение идей для общения с другими

После того, как ученики исследуют предметы домашнего обихода, их можно попросить сообщить классу о своих выводах. Это можно сделать с помощью коротких презентаций, которые идентифицируют любые связанные наблюдения электростатических сил в действии. Исследование можно было бы расширить, включив в него учащихся, пишущих короткие предложения, описывающие то, что они наблюдают, и рисование помеченных диаграмм предметов и наблюдаемых эффектов.Студентов можно попросить найти примеры электростатических переживаний дома, которыми можно поделиться в школе. Может быть полезно, если учащиеся принесут картинки или рисунки, которыми они могли бы поделиться.

Отталкивание частиц пыли окружающей среды от гидрофобной поверхности при электростатическом воздействии

Изучена динамика частиц пыли, отталкиваемых от гидрофильной и гидрофобной поверхностей. Скорость частиц пыли формулируется с учетом сил воздействия на пылинки, и прогнозы скорости сравниваются с результатами, полученными на основе данных высокоскоростной камеры.Остатки частиц пыли как на гидрофильных, так и на гидрофобных поверхностях охарактеризованы с помощью аналитических инструментов. Сила адгезии для частицы пыли на обеих поверхностях оценивается на основе данных атомно-силовой микроскопии, а затем полученные данные включаются в формулировки скорости.

Анализ поверхности и характеристики частиц пыли

На рис. 3 показаны микрофотографии осажденной поверхности наноразмерных частиц кремния, полученные с помощью СЭМ. Частицы агломерируются на поверхности, образуя кластероподобные структуры.Агломерация наноразмерных частиц кремнезема связана с силаном, используемым в качестве модификатора, который запускает побочные реакции, ведущие к конденсации на поверхности кремнезема. Это способствует агломерации частиц ²⁴ . Некоторые порообразные структуры образуются вокруг кластеровидных структур. Однако локально они разбросаны неравномерно. Формирование пористых структур в основном связано с кластеризацией наноразмерных функционализированных частиц кремнезема; в котором частицы кластеров плотно прилегают друг к другу, образуя небольшие промежутки на поверхности.Эти зазоры выглядят как текстура на поверхности, похожая на поры. Кроме того, пористые структуры не связаны друг с другом, а образуют отдельные зазоры вокруг сгруппированных наноразмерных частиц. На рис. 4а показано двухмерное изображение наноразмерных частиц диоксида кремния, полученное методом атомно-силовой микроскопии, а на рис. 4б показано линейное сканирование вдоль поверхности, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии. Наличие на поверхности агломерированных частиц кремнезема приводит к образованию волнистого профиля текстуры с небольшими амплитудами (высотой).Пористая текстура изменяет волнообразные профили и вызывает большие вариации профиля текстуры. На рис. 4b это выглядит как профиль в виде глубокой каверны. Средняя шероховатость поверхности составляет порядка 120 нм. Чтобы оценить адгезию между покрытием из наноразмерных функционализированных частиц диоксида кремния и поверхностью стекла, проводят испытания на царапание с использованием микротрибометра. На рис. 5а показано тангенциальное усилие, необходимое для удаления частиц диоксида кремния с поверхности, а на рис. 5б показаны следы вдавливания, оставшиеся на поверхности после испытаний на царапание.Касательная сила не изменяется существенно вдоль поверхности, что демонстрирует почти равномерное прилипание наноразмерных частиц кремнезема к поверхности стекла. Однако некоторые небольшие колебания на кривой тангенциальной силы связаны с пористыми структурами, в которых агломерация наноразмерных частиц кремнезема меньше. Ширина царапины остается практически одинаковой по длине царапины (рис. 5б), что также указывает на равномерное осаждение и прикрепление наноразмерных частиц кремнезема на поверхности.На рис. 6 показаны данные FTIR, полученные для осажденной поверхности наноразмерных частиц кремнезема. Пик, приходящийся на полосу 806 см ^-1 , соответствует изгибному колебанию O-Si-O ²⁵ . Кроме того, пик, наблюдаемый на полосе 1630 см ^-1 , представляет собой валентное колебание групп Si-OH в функционализированных частицах диоксида кремния ^25,26 . Гидроксильная группа (группа Si-OH) указывает на наличие связанной воды. Пик при 3448 см ^-1 связан с валентными колебаниями O-H на поверхности диоксида кремния, демонстрируя, что поверхности не полностью покрыты привитыми группами.Добавление тетраэтилортосиликата (TEOS) во время функционализации синтезированных частиц диоксида кремния приводит к образованию растворимых силикатов, а ионы OH ^— запускают гидролиз TEOS, ²⁶ . Растяжение пиков CH ₂ происходит на полосе 2852 см ^-1 , что связано с обработкой наноразмерных частиц диоксида кремния октадецилтрихлорсиланом (OTES) во время процесса функционализации ²⁷ .

Рис. 3

СЭМ-микрофотография осажденной поверхности функционализированных частиц кремнезема.

Рисунок 4

Атомно-силовое микроскопическое изображение осажденной поверхности функционализированных частиц диоксида кремния и линейное сканирование: ( a ) вид сверху осажденной поверхности функционализированных частиц диоксида кремния (зеленая линия показывает направление линейного сканирования) и ( b ) линия сканировать по поверхности.

Рис. 5

Касательная сила и царапина, полученные с микротрибометра для осажденной поверхности функционализированных частиц диоксида кремния: ( a ) тангенциальная сила, необходимая для удаления частиц диоксида кремния с поверхности, и ( b ) отпечаток вдавливания на поверхности во время скретч-тестирования.

Рис. 6

Данные FTIR для осажденной поверхности функционализированных частиц кремнезема.

Свободная энергия поверхности осажденных наночастиц диоксида кремния оценивается с использованием капельного метода ²⁸ . Следовательно, измерения краевого угла проводят для воды, глицерина и дииодметана в соответствии с ранним исследованием ²⁸ . Схема оценок свободной поверхностной энергии приведена в дополнительном материале S1. В таблице 2 приведены данные, использованные для оценок поверхностной энергии.Поверхностная энергия, определенная для осажденной поверхности функционализированных наноразмерных частиц диоксида кремния, составляет около 38,24 мН / м, что ниже, чем сообщалось для поверхности с покрытием из тетраэтилортосиликата (PE-TEOS), усиленного плазмой CVD (42,12 мН / м). Краевой угол смачивания каплей воды для осажденной поверхности наночастиц диоксида кремния составляет 158 ° ± 2 ° с гистерезисом 2 ° ± 1 °. Осажденная поверхность демонстрирует состояние супергидрофобного смачивания с чрезвычайно низким гистерезисом краевого угла смачивания. Измерение поверхностной энергии осажденной поверхности повторяется в 10 различных местах на поверхности.Полученные данные показывают, что изменение значений свободной энергии по поверхности пренебрежимо мало, т.е. поверхность имеет практически однородную свободную энергию с очень малым изменением. Следовательно, поверхность, покрытая функционализированными наноразмерными частицами диоксида кремния, имеет однородные характеристики смачивания, что связано с равномерно распределенной иерархической структурой текстуры и почти постоянной свободной энергией поверхности.

Таблица 1 Элементный состав пыли (мас.%), Определенный методом энергодисперсионной спектроскопии (EDS). Таблица 2 Компоненты Лифшица-ван дер Уоллса и электронодонорные параметры, использованные при моделировании ^29,41 .

Частицы пыли имеют различную форму и размер. Это видно из рис. 7а, на котором показаны СЭМ-микрофотографии пылевых частиц. Частицы пыли малого размера прикрепляются к поверхности частиц пыли большого размера (рис. 7b). Кроме того, частицы пыли небольшого размера образуют кластеры вокруг частиц большого размера. Частицы пыли небольшого размера находятся в воздухе дольше, чем частицы пыли относительно большего размера.Следовательно, возможно, что взаимодействие солнечного излучения с мелкими частицами приводит к связыванию некоторых ионных компонентов с частицами пыли при длительном воздействии в прибрежных районах (Аравийский полуостров). Тем не менее, частицы пыли слабо связаны, а мелкие частицы пыли частично разрушаются под действием воздушного потока. Анализ с помощью энергодисперсионной спектроскопии (EDS) элементного состава частиц пыли представлен в таблице 1. Частицы пыли состоят из различных элементов, включая Si, Ca, K, Na, Cl, S, O, Fe и Mg.Присутствие различных элементов в частицах пыли объясняется местной геологической структурой ландшафта. Однако в зависимости от размера пылевых частиц элементный состав меняется незначительно (таблица 1). Концентрации Na, K, Ca, O и Cl несколько выше для частиц небольшого размера (<0,8 мкм). На рисунке 8 представлена ​​рентгеновская дифрактограмма пылевых частиц. Дифрактограмма показывает, что в частицах пыли присутствуют различные кристаллические соединения, включая соединения щелочных и щелочноземельных металлов.Пики железа накладываются на кремнезем, а пик соответствует гематиту, агрегированному из глины (Fe ₂ O ₃ ). Пик серы приписывается ангидритным или гипсовым (CaSO ₄ ) компонентам пыли. Частицы пыли имеют различную форму с нерегулярными характеристиками. Однако делается попытка сгруппировать частицы пыли в соответствии с их формой. В этом случае вводятся коэффициент формы и соотношение сторон. Фактор формы ( R _Форма ) связан с отношением периметра частицы пыли к общей площади частицы пыли, т.е.{2}} {4A} \), где L _Выступ — это наибольшая длина выступа частицы пыли, а A — площадь поперечного сечения пылевых частиц. Между размером частицы пыли и соотношением сторон наблюдается обратная зависимость; однако нет простой связи между размером пыли и соотношением сторон изображения. По мере увеличения коэффициента формы аспектное отношение частицы уменьшается. Это особенно верно в отношении частиц большого размера (> 5 мкм). Фактор формы уменьшается почти до единицы для мелких пылевых частиц (<1.2 мкм).

Рис. 7

СЭМ-микрофотографии частиц пыли: ( a ) частицы пыли различного размера и формы и ( b ) мелкие частицы пыли прикрепляются к поверхности крупных частиц пыли.

Рис. 8

Рентгеновская дифрактограмма пылевых частиц.

Динамика отталкивания частиц пыли от поверхностей при электростатическом воздействии

Чтобы оценить траектории частиц при отталкивании от поверхности электростатической импульсной силой, частицы отслеживались с помощью высокоскоростной камеры (Dantec Dynamics SpeedSense 9040).Следует отметить, что размер отталкиваемой частицы пыли выбран примерно 10 мкм, чтобы ее можно было наблюдать высокоскоростной камерой с принятым микролинзом. На рис. 9 показано изображение одной из частиц, полученное высокоскоростной камерой, вдоль плоскостей x-y, y-z и x-z в разное время после инициирования импульсной электростатической силы. Следует отметить, что размер частиц составляет около 10 мкм, и прослеживаемая частица отмечена красным кружком для видимости частицы. Отталкиваемая частица демонстрирует трехмерное поведение траектории.Возникновение трехмерной траектории связано с одним или всеми из следующего: (i) расположением частицы на поверхности до отталкивания; в этом случае отношение положения частицы к центру электростатической силы (электродный провод) остается критическим, (ii) форма частицы не является правильной, и возможно, что начальное положение частицы на поверхности (до отталкивания) не параллельно поверхность, то есть частица расположена под углом к ​​поверхности, (iii) тормозящие силы, такие как силы сопротивления и силы заряда между частицами, действующие на поверхность частицы (некруглый и сложный геометрический элемент), создают баланс на силу гравитационного притяжения, вызывая модификацию траектории частицы, (iv) электростатические изменения пылевых частиц меняются из-за различного и неоднородного элементного состава частиц пыли, (v) размер пылевых частиц изменяется и внешнее электростатическое воздействие на отдельные частицы пыли меняется, и (vi) силы адгезии между агломерированными частицами пыли на поверхности влияют на начальное движение частиц пыли. частица пыли, которая отталкивается от поверхности, и (v) механическое взаимодействие частиц пыли начало отталкивания от поверхности.В любом случае движение пылевых частиц следует криволинейному поведению на некотором возвышении от поверхности. Это указывает на то, что взаимодействие тормозящих сил с гравитационной силой играет главную роль на траектории отталкиваемых частиц. Кроме того, по мере того, как отталкиваемая частица пыли поднимается дальше от поверхности, электростатический эффект, создаваемый электродом, в течение длительности импульса высокого напряжения 0,4 с, влияет на баланс электростатических сил на летающих частицах пыли, дополнительно изменяя кривизну траектории частицы пыли.Следовательно, баланс сил между тормозящими силами, гравитационным притяжением и силами инерции частицы изменяет кривизну траектории отталкиваемой частицы, что наблюдается на рис. 9 во время позднего времени полета отталкиваемой частицы пыли (= 0,9 с). Следует отметить, что длительность импульса высокого напряжения составляет 0,4 с, а общая длительность частицы пыли, включая период отталкивания и падения, составляет около 0,9 с. Следует отметить, что в среде с высокой влажностью водный конденсат может вызывать растворение соединений щелочных (Na, K) и щелочно-земельных (Ca) металлов в частицах пыли с образованием раствора, который приводит к образованию минералов, заполняющих поры.После высыхания минералы, заполняющие поры, могут образовывать перемычки между частицами пыли, вызывая осаждение ³⁰ . Кроме того, по мере увеличения влажности воздуха на контактных поверхностях частиц происходит капиллярная конденсация водяного пара. Капиллярная конденсация воды вдоль межфазных поверхностей между частицами пыли влияет на электростатические силы ³⁰ , изменяя при этом силы сцепления в направлении цементирования ³¹ . Следовательно, необходимо избегать влияния капиллярной конденсации на границах раздела пыли.Следовательно, во время экспериментов относительная влажность воздуха поддерживается на низком уровне (37%). Причем при микроскопических исследованиях пылевых частиц такой ситуации не наблюдается.

Рис. 9

Изображения с высокоскоростной камеры для траекторий отраженных частиц пыли (в полете) в воздухе в плоскости y-x, z-y и z-x.

На рисунке 10 показана скорость отталкиваемой частицы по осям y, x и z, которые получены из данных высокоскоростной камеры. Поскольку частицы пыли изначально располагаются вдоль оси электрода, где возникает электростатическая сила отталкивания (рис.2) за точку отсчета принимается исходное местоположение пылинки. Следует отметить, что ось x расположена по длине электрода, ось y перпендикулярна поверхности пластины, а ось z — в плоскости поверхности пластины и перпендикулярна оси x. Более того, масштабирование высокоскоростной камеры на частицу пыли вызывает потерю четкости изображения и даже исчезновение во время оптического отслеживания; поэтому выбирается максимальное масштабирование с достаточной четкостью изображения для отслеживания траектории частицы.Красные кружки используются на изображении высокоскоростной камеры, чтобы определить местонахождение частицы пыли. Из рис. 10 видно, что частицы пыли движутся по трехмерной траектории; однако расстояние, которое проходит пылинка, больше по оси x, чем расстояние, соответствующее смещениям по осям y и z. Следует отметить, что ось Y перпендикулярна поверхности пластины, на которой расположен электростатический электрод. Экспериментальные данные для расстояния, пройденного пылевыми частицами по осям x, y и z со временем, также показаны на рис.10 для сравнения. Частица пыли имеет более высокие скорости вдоль оси y по сравнению со скоростями, соответствующими другим осям, что указывает на то, что импульсная сила является наибольшей вдоль оси y. Однако скорость пылевых частиц остается относительно большей по оси x по сравнению со скоростью по оси z. Достижение большой скорости вдоль оси x объясняется наличием сил отталкивания, возникающих из-за электростатического заряда вдоль оси x (направление оси электрода).Скорость частиц пыли резко возрастает под действием силы электростатического отталкивания, и с течением времени скорость частиц постепенно уменьшается. По мере того, как время идет дальше, скорость уменьшается, достигая почти нуля под влиянием гравитационной потенциальной энергии. Нулевая скорость по оси x соответствует максимальному расстоянию, которое проходит частица. Время появления нулевой скорости вдоль оси y, где смещение частицы является максимальным в вертикальном направлении, перпендикулярном поверхности, незначительно изменяется вдоль осей x и z.В этом случае появление нулевой скорости по осям x и z становится немного дольше, чем по оси y. Это указывает на то, что частица продолжает двигаться по осям x и z, пока частица достигает своего пика по оси y. На рисунке 11 показано ускорение частиц по осям x, y и z. Ускорение частиц остается высоким в ранний период из-за движения частицы из ближней области поверхности под действием отталкивающей электростатической силы. С течением времени ускорение частицы вдоль оси y уменьшается и постепенно уменьшается до точки, когда скорость достигает нуля.Частица ускоряется под действием гравитационной тянущей силы от точки нулевой скорости к поверхности во время цикла падения. В этом случае ускорение частицы остается немного ниже в цикле падения по сравнению с циклом отталкивания. Следовательно, ускорение из-за отталкивающей электростатической силы значительно выше, чем гравитационное притяжение, то есть начальное ускорение преодолевает гравитационное притяжение, силу закрепления из-за адгезии частиц, силу сопротивления из-за сопротивления воздуха и силы, возникающие из-за взаимодействий отталкиваемых частиц.

Рис. 10

Скорость частиц пыли по осям x, y и z вместе с расстоянием, пройденным отраженной (летящей) частицей пыли в воздухе. Отрицательная скорость по оси ординат изображает приземляющуюся частицу на поверхность после достижения пика из-за электростатического воздействия.

Рис. 11

Ускорение частиц пыли по осям x, y и z вместе с расстоянием, пройденным отраженной (летящей) частицей пыли в воздухе.

Для определения ускорения частицы электростатической силой при отталкивании от поверхности учитывается баланс сил отталкивающей частицы.Единственная внешняя сила, отталкивающая частицу от поверхности, — это электростатическая сила, создаваемая высоковольтным блоком. Электростатическая сила ( F _Els ), которая создается электростатическим зарядом, может быть выражена как: F _Els = QE , где Q — электростатический заряд на частице. отталкиваться, а E соответствует напряженности электрического поля, приложенного к частице.Напряженность электростатического поля связана с приложенным напряжением и расстоянием между высоковольтным электродом и частицей пыли. Электростатический заряд пылевой частицы зависит от элементов, составляющих пылевую частицу; в этом случае заряд может колебаться в зависимости от состава пылевых частиц ³² . Однако в настоящем анализе на частице учитывается средний электростатический заряд. Электростатический заряд можно сформулировать с помощью закона Гаусса ³³ , который дает: \ (\, Q = EA {\ varepsilon} _ {p} \), здесь A — площадь пылевой частицы, а ε _p — это электростатическая диэлектрическая проницаемость материала, используемого в пластине, на которую опирается частица пыли перед отталкиванием.{2} {\ varepsilon} _ {p} $$

(1)

Однако электростатическая сила преодолевает силы адгезии и силы тяжести частицы пыли на поверхности пластины до отталкивания частицы пыли. Кроме того, электростатическая сила продолжает влиять на частицы пыли после отталкивания от поверхности. В этом случае электростатическое поле (\ ({F} _ {Els} \ sim \ frac {{\ rm {\ Delta}} V} {{\ rm {\ Delta}} h} \), здесь ΔV соответствует приложенное напряжение и h ( — расстояние между медным электродом, к которому приложен электрический потенциал, и частицей пыли) уменьшается из-за увеличения высоты пылевых частиц в окружающем воздухе.{2} {\ varepsilon} _ {air} \), здесь E ( h ) представляет собой зависящее от высоты электростатическое поле, влияющее на отталкиваемую частицу пыли во время полета. Следует отметить, что высокое напряжение прикладывается в виде одного прямоугольного импульса длительностью 0,4 с. Следовательно, электростатическая сила остается активной в течение периода импульса. Однако электростатическое влияние отталкиваемых частиц пыли в воздухе также вносит вклад в движение частиц (состояние в полете) в воздухе.{2}} \), где K — электростатическая постоянная, Q ₁ и Q ₂ — количество зарядов пылевых частиц, а l — расстояние между пылевыми частицами. Считается, что количество заряда частиц пыли малых размеров остается небольшим, а расстояние между частицами пыли в воздухе велико; следовательно, электростатическое влияние из-за разницы зарядов между частицами пыли в воздухе исключается, т.е.е. считается, что на траекторию отраженной частицы пыли не влияет другая отраженная частица пыли в воздухе. Более того, сила Ван-дер-Ваальса вносит основной вклад в силу адгезии в сухой и электродинамически нейтральной среде ³⁴ . Было разработано несколько моделей, формулирующих силу сцепления между поверхностями и частицами ^35,36,37,38 . Поскольку поверхность пылевых частиц шероховатая, модель была улучшена Рабиновичем и др. . ³⁸ можно использовать для определения адгезии частиц пыли к поверхности пластины.{2}}) \), здесь A представляет собой постоянную Гамакера (A = 0,48 × 10 ⁻²⁰ Дж для SiO _2, ³⁹ ) и Z _o — расстояние между частицами , который соответствует расстоянию разделения между поверхностью частицы и плоской поверхностью, ε — это шероховатость плоской поверхности, а r _s — параметр шероховатости поверхности частицы пыли. Шероховатость поверхности пластины составляет порядка 120 нм, а параметр шероховатости пылевой частицы приблизительно оценивается по микрофотографиям SEM как r = 0.62. С другой стороны, чтобы оценить адгезию частицы пыли к поверхности пластины, выполняется измерение адгезии частицы пыли с помощью атомно-силовой микроскопии. Отклонение наконечника атомно-силовой микроскопии может быть связано с силой адгезии частицы пыли на поверхности пластины ²² . В этом случае силу сцепления ( F _{добавить} ) можно записать в виде \ (\, {F} _ {add} = k \ sigma {\ rm {\ Delta}} V \ ) ²² , здесь k представляет собой жесткость жесткости наконечника кантилевера (Н / м) σ представляет собой наклон смещения наконечника относительно результирующего напряжения зонда ( Δz / ΔV , м / В), а ΔV — напряжение зонда в результате сканирования иглой атомно-силового микроскопа по поверхности в контактном режиме.На рисунке 12 показан отклик наконечника атомно-силового микроскопа в мВ при перемещении пылевой частицы размером около 10 мкм по поверхности пластины. Тангенциальная сила, необходимая для перемещения частицы пыли по поверхности пластины, аналогична силе адгезии. Максимальный пик соответствует касательной силе, а маленькие пики относятся к силе трения на поверхности, то есть максимальный пик соответствует началу движения пыли по плоской поверхности. При измерениях используются следующие данные калибровки наконечника атомно-силовой микроскопии; kσ = 5.80275 × 10 ⁻¹³ Н / мВ. Кроме того, учитывая соотношение отклонения наконечника атомного микроскопа, можно определить силу адгезии. Следовательно, сила адгезии определяется в порядке 8,12844 × 10 ^-11 Н для частицы пыли размером около 10 мкм, расположенной на гидрофильной стеклянной поверхности. Однако, используя соотношение, введенное Рабиновичем и др. . ³⁸ для силы адгезии сила адгезии определяется как 4,3 × 10 ^-11 Н для частицы пыли размером 10 мкм.Следовательно, измеренная и рассчитанная сила адгезии почти одинакового порядка. Измерение тангенциальной силы повторяется для частиц пыли размером около 10 мкм, расположенных на гидрофобной поверхности. Сила адгезии, измеренная для частицы пыли, составляет 2,23417 × 10 ^-11 Н на гидрофобной поверхности. Следовательно, адгезия частицы пыли к поверхности снижается почти в 3,6 раза, поскольку поверхность становится гидрофобной. Кроме того, измерение силы адгезии расширено, чтобы включить небольшую частицу пыли, которая составляет около 1.Размер 1 мкм, расположенный как на гидрофильной, так и на гидрофобной поверхностях. Сила адгезии, измеренная для частицы размером 1,1 мкм, расположенной на гидрофильной поверхности, составляет около 2,52711 × 10 ^-10 Н, тогда как она составляет 6,2217 × 10 ^-11 Н для частицы, расположенной на гидрофобной поверхности. Сила адгезии увеличивается почти в 3 раза для гидрофильной поверхности, поскольку малая частица располагается на гидрофильной поверхности. Однако сила адгезии увеличивается почти в 3 раза, поскольку малая частица располагается на гидрофобной поверхности.Следовательно, уменьшение размера частиц пыли увеличивает силу сцепления как с гидрофобными, так и с гидрофильными поверхностями. Вероятное объяснение такого поведения связано с: (i) контактной площадкой на границе раздела поверхности пыли, которая становится более гладкой по мере уменьшения размера частицы пыли, и (ii) зарядовыми силами между частицей и поверхностью. Однако необходимы дальнейшие исследования для изучения влияния размера частиц пыли на силу адгезии; следовательно, обширные исследования оставлены для будущих исследований.{2} \, {A} _ {x} \), где C _D — коэффициент сопротивления, v — скорость пылевых частиц, ρ — плотность воздуха, A _x — площадь поперечного сечения пылевых частиц. Коэффициент лобового сопротивления связан с числом Рейнольдса и с учетом числа Рейнольдса уменьшается до: \ ({F} _ {D} = \, 3 \, \ pi \, \ mu \, v \, {D} _ { p} \), где D _p — диаметр частицы пыли, а µ — динамическая вязкость воздуха.С учетом данных, число Рейнольдса для пылевой частицы размером около 10 мкм со скоростью полета в диапазоне 0,0,011 м / с составляет порядка 2,32 × 10 ⁻³ , что учитывается при вычислении числа Рейнольдса. . Следовательно, согласно теореме Стокса коэффициент лобового сопротивления принимает вид C _D = 24 / Re ⁴⁰ . Хотя сила сопротивления зависит от скорости пылевых частиц, максимальная сила сопротивления составляет порядка 3,29241 × 10 ⁻¹¹ Н.Следовательно, она остается меньше электростатической силы и силы сцепления. Баланс сил для частицы пыли в воздухе, которая только что отталкивается от поверхности, составляет:

$$ {F} _ {i} = ({F} _ {Els} — {F} _ {add}) + {F} _ {(Els) Addition} — {F} _ {w} — {F} _ {D} $$

(2)

, где F _i — результирующая сила инерции частицы пыли, F _Els — электростатическая сила, первоначально приложенная к частицам пыли, F _{(Els) Дополнение} — дополнительная электростатическая сила, действующая на пылинку в воздухе (в полете) в течение периода приложенного импульса напряжения, F _{прибавление} — сила сцепления пылевой частицы на плоской пластине, F _w — сила тяжести (вес), действующая на частицу пыли, а F _D — сила сопротивления. {2} $$

(4)

Уравнение 4 используется для прогнозирования скорости отраженной частицы от поверхности пластины.{2}} \), где v _x , v _y , v _z — компоненты скорости отраженных частиц в x , y и z -axes соответственно) представлена ​​на рис.13, напоминающая измеренную скорость от высокоскоростной камеры. Прогноз аналитической формулировки (уравнение 4) почти согласуется с данными скорости, полученными в результате эксперимента. Различия в обоих результатах связаны с экспериментальными ошибками и допущениями, сделанными в аналитических формулировках, такими как поправочный коэффициент, введенный для геометрических аномалий пылевой частицы.Кроме того, электростатическое отталкивание пыли от поверхности пластины численно моделируется с использованием кода COMSOL Multiphysics ⁴⁰ с учетом плоской конфигурации и условий, используемых в экспериментах. Подробности рецептуры приведены в дополнительном материале S2. На рисунке (14a) показаны результаты трехмерного моделирования для объемного распределения напряжения, а на рис. (14b, c) показаны траектории частиц, напоминающие пыль, в трехмерной области. Частица пыли демонстрирует аналогичное поведение над поверхностью пластины; в этом случае максимальная вертикальная высота пылевых частиц размером 10 мкм находится в диапазоне 2.5 мм, что не соответствует измерениям. Моделирование расширено за счет включения частиц пыли небольшого размера. Размер частиц пыли выбран равным 1,1 мкм, а сила адгезии для частицы пыли считается противоположной силе отталкивания. Траектория пылевых частиц размером 1,1 мкм показана на рис. 14в. Максимальная вертикальная высота пылевых частиц остается меньше, чем у крупных частиц (рис. 14b) из-за относительно большей силы сцепления (2.52711 × 10 ⁻¹⁰ Н) для мелких частиц пыли, чем частицы большого размера (8,12844 × 10 ⁻¹¹ Н) на гидрофильном стекле.

Рис. 12

Отклик иглы АСМ в режиме трения при удалении частиц пыли с поверхности.

Рис. 13

Величина скорости, предсказанная и полученная в результате измерений.

Рис. 14

Электростатический потенциал и траектории отталкивающих пылевых частиц: ( a ) электростатический потенциал, ( b ) траектории пылевых частиц 10 мкм и ( c ) траектории 1.Частицы пыли 1 мкм.

На рис. 15 показаны микрофотографии, полученные с помощью СЭМ, остатков пыли на поверхности после электростатического отталкивания от гидрофобных и гидрофильных поверхностей пластины. Микрофотографии получены для остатков частиц пыли, расположенных вдоль электростатической проволоки (направление оси x ). Как правило, частицы пыли небольшого размера остаются на гидрофобной поверхности после приложения силы электростатического отталкивания (рис. 15а). Это связано с одним или всеми выводами: (i) частицы пыли небольшого размера имеют небольшую массу; в этом случае отталкивающая электростатическая сила не преодолевает, в частности, закрепляющую силу из-за адгезии, (ii) хотя некоторые мелкие частицы пыли прикрепляются к поверхностям частиц большого размера (рис.7b), некоторые из мелких частиц могут прикрепляться к поверхности пластины при осаждении вдоль проволоки; в этом случае сила закрепления значительно увеличивается из-за сильной адгезии между мелкими частицами пыли и поверхностью. Элементный состав остатков мелких пылевых частиц оценивается с помощью энергодисперсионной спектроскопии. В таблице 1 приведен элементный состав остатков пылевых частиц. Изменяется элементный состав пылевых остатков, особенно для мелких пылевых частиц (≤0.8 мкм). Содержание кислорода в частицах пыли выше для остатков мелких частиц пыли, чем для частиц пыли среднего и большого размера. Это указывает на то, что мелкие частицы пыли имеют меньшую плотность, чем частицы пыли среднего размера (2800 кг / м ³ ). Плотность остатков мелких частиц пыли оценивается примерно в 1600 кг / м ³ . Чтобы оценить адгезию мелких и средних частиц пыли к поверхности пластины, тангенциальная сила, необходимая для удаления частиц пыли с поверхности, измеряется с помощью атомно-силовой микроскопии с его острием, работающим в режиме трения.В этом случае на гидрофобной поверхности сила адгезии, полученная из данных атомно-силовой микроскопии для мелких частиц пыли (∼0,8 мкм), составляет порядка 5,1242 · 10 ⁻¹¹ Н, что почти вдвое больше, чем у средней частицы пыли (2,5711 × 10 ^-10 Н для частицы пыли размером около 1,1 мкм). Следует отметить, что средняя плотность мелких пылевых частиц составляет порядка 1600 кг / м ³ , а размер пылевых частиц, используемых в измерениях, составляет порядка 0.6 мкм – 0,8 мкм. В этом случае мелкие частицы низкой плотности остаются на поверхности при приложении электростатической отталкивающей силы. Более того, эксперименты по отталкиванию частиц пыли повторяются с использованием обычных стекол; в этом случае частицы пыли осаждаются на стеклянной поверхности вдоль линии медного электрода, и принимаются те же условия настройки электронной схемы, которые используются для функционализированных частиц кремнезема, осажденных на стеклянной поверхности. СЭМ-микрофотография остатков частиц пыли на стеклянных поверхностях после воздействия электростатической силы представлена ​​на рис.15б. Концентрация частиц пыли на поверхности стекла остается значительно выше, чем концентрация на осажденной поверхности функционализированных частиц кремнезема (рис. 15а). Чтобы оценить адгезию частиц пыли к гладкой поверхности стекла, измерения с помощью атомно-силовой микроскопии касательной силы, необходимой для удаления частиц пыли с поверхности, повторяют для гладкой поверхности стекла. Измерения показывают, что сила адгезии пылевых частиц размером около 10 мкм на гладкой стеклянной поверхности составляет порядка 8.12844 × 10 ^–11 Н, что почти в 3 раза больше, чем это соответствует осажденной поверхности функционализированных частиц кремнезема для частиц почти того же размера (2,23417 × 10 ^–11 Н). Следовательно, состояние гидрофобного смачивания, создаваемое осаждением функционализированных частиц диоксида кремния, значительно снижает адгезию частиц пыли к поверхности.

Рис. 15

СЭМ-микрофотографии остатков частиц пыли на поверхности пластины: ( a ) гидрофобная поверхность и ( b ) гидрофильная поверхность.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.