Что может электростатика

Что может электростатика

… Все предсказания электростатики следуют из

двух её законов. Но одно дело высказать эти вещи

математически, и совсем другое – применять их с

лёгкостью и с нужной долей остроумия.

Р. Фейнман

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных зарядов. Ключевые эксперименты электростатики были проведены в XVII – XVIII вв. с открытием электромагнитных явлений и той революции в технологиях, которые они произвели, интерес к электростатике на некоторое время был утерян. Современные научные исследования показывают огромное значение электростатики для понимания многих процессов живой и неживой природы. В настоящее время электростатика начинает играть всё более и более заметную роль в различных технологиях.

Электростатика и жизнь

В 1953 г. американские учёные С. Миллер и Г. Юри показали, что один из «кирпичиков жизни» — аминокислоты – могут быть получены путём пропускания электрического разряда через газ, близкий по составу «первобытной» атмосфере Земли, состоящей из метана, аммиака, водорода и паров воды. В течение последующих 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, считается научно доказанной возможность зарождения жизни на Земле вследствие разрядов молний. При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции. Таким образом, энергия, необходимая для зарождения жизни на Земле и её эволюции была электростатической энергией разряда конденсаторов – молний между облаками и землёй.

Как электростатика вызывает молнии

В каждую секунду около 50 молний ударяют в поверхность Земли, и в среднем 1 км² поражается молнией шесть раз в году. Ещё Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков – это электрические разряды, переносящие на землю отрицательный заряд. При этом каждый из разрядов снабжает Землю несколькими десятками кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосьёмка показала, что разряд молнии длится лишь десятые доли секунды и состоит из нескольких более коротких разрядов.

Напряжённость электрического поля Земли при измерении оказалась около 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400000 Кл. переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образуется электропроводящий слой, ионосфера. Поэтому электрическое поле земли – это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. это поле исчезло бы, если не было бы молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор Земли разряжается, при грозе- заряжается. Грозовое облако – это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землёй на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками тёплого воздуха, поднимающего снизу от нагретой земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому шустрые мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие – положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные – внизу. Другими словами, верхушка облака заряжается положительно, низ – отрицательно. Всё готово для разряда молнии, когда произойдёт пробой воздуха, и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетечёт на Землю.

Под грозовым облаком плотность наведённых на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряжённость электрического поля может превышать 100 кВ/м, что в 1000 раз больше, чем в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, … встают дыбом.

Фульгурит – след молнии на земле

При разряде молнии выделяется энергия 10⁹…10¹⁰ Дж. Большая часть этой энергии тратится на гром, нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой «маленькой» части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогревать канал, по которому она движется, до 30000С, что гораздо выше температуры плавления песка (1600 – 2000С). Поэтому молнии, попадая в песок, плавят его, а раскалённый воздух и водяные пары, расширяясь, формируют из расплавленного песка трубку, которая через некоторое время застывает. Так рождаются фульгуриты (громовые стрелы, чёртовы пальцы) – полые цилиндры из оплавленного песка. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более 5 м.

Как электростатика защищает от молний

К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому не угрожают здоровью людей. В США ведётся статистика, что каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек, и более ста из них погибают. Учёные давно пытались защищать людей от этой «кары божьей», однако не всегда «научно». Так, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ванн Мушенбрук (1692 – 1761) считал довольно эффективными традиционные средства предотвращения молнии – колокольный звон и стрельбу из пушек, -о чём и написал в статье об электричестве, заказанной ему специально для знаменитой французской «Энциклопедии».в 1775 г. Б. Франклин, пытаясь защитить здание Капитолия столицы штата Мериленд от удара молнии, прикрепил к зданию толстый железный стержень, возвышавшийся над куполом на несколько метров и соединённый с землёй. Учёный отказался патентовать своё изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям. Механизм действия громоотвода легко объяснить, если вспомнить, что напряжённость электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника увеличивается с ростом кривизны этой поверхности. Поэтому под грозовым облаком вблизи острия громоотвода напряжённость поля будет так высока, что вызовет ионизацию окружающего воздуха и коронный разряд. В результате вероятность попадания молнии именно в громоотвод значительно возрастает. Так знание электростатики не только позволило объяснить происхождение молний, но и защититься от них. Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие божьего гнева, казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошёл в 1780 г. в небольшом городке Сент Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Всё, что помогает спасти жизнь, — во благо, доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Сейчас портрет изобретателя громоотвода – самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Электростатика, возвращающая жизнь

Энергия разряда конденсатора не только привела к возникновению жизни на Земле, но может и возвращать жизнь людям, у которых сердце перестало ритмично сокращаться. Асинхронное (хаотичное) сокращение клеток сердца называют фибрилляцией. Фибрилляцию сердца можно прекратить, если пропустить через все его клетки короткий импульс тока. Для этого к грудной клетке пациента прикладывают два электрода, через которые пропускают импульс длительностью около 10 мс и амплитудой до нескольких десятков ампер. Энергия разряда через грудную клетку может достигать 400 Дж, что равно потенциальной энергии пудовой гири, поднятой на высоту 2,5 м. устройство, которое обеспечивает электрический разряд, прекращающий фибрилляцию сердца, называют дефибриллятором. Простейший дефибриллятор представляет собой колебательный контур, состоящий из конденсатора ёмкостью около 20 мкФ и катушки индуктивностью 0,4 Гн. Зарядив конденсатор до напряжения 1-6 кВ и разрядив его через катушку и пациента, сопротивление которого составляет около 50 Ом, можно получить импульс тока, необходимый для возвращения пациента к жизни.

Электростатика, дающая свет

Люминесцентная лампа может служить удобным индикатором электрического поля. Чтобы убедиться в этом, потрём, находясь в тёмном помещении, лампу полотенцем или шарфом. В результате внешняя поверхность лампового стекла зарядится положительно, а ткань – отрицательно, и мы увидим всполохи света в тех местах лампы, к которым мы прикасаемся заряженной тканью. Измерения показали, что напряжённость электрического поля внутри работающей люминесцентной лампы составляет около 10 В/м. при такой напряжённости поля свободные электроны обладают необходимой энергией для ионизации атомов ртути внутри лампы. Электрическое поле под высоковольтными линиями электропередач может быть очень большим. Поэтому, если люминесцентную лампу воткнуть в землю под ЛЭП, то она будет довольно ярко светиться в тёмное время суток. Так, с помощью энергии электростатического поля можно освещать пространство под ЛЭП.

Как электростатика предупреждает о пожаре и делает дым чище

В большинстве случаев при выборе типа детектора пожарной сигнализации предпочтение отдаётся дымовому датчику, так как пожар обычно сопровождается выделением большого количества дыма. Дымовые датчики работают на ионизационном или фотоэлектрическом принципах. В ионизационных детекторах дыма используется источник α – излучения, ионизирующий воздух между металлическими пластинами-электродами, а электрическое сопротивление между ними постоянно измеряется с помощью специальной схемы.

Оказывается между пластинами микрочастицы дыма связываются с ионами, нейтрализуют их заряд и увеличивают таким образом сопротивление межэлектродного пространства, на что реагирует электрическая схема, подавая сигнал тревоги. Датчики, устроенные на этом принципе, демонстрируют весьма впечатляющую чувствительность, реагируя ещё до того, как самый первый признак дыма обнаруживается живым существом. Следует отметить, что никакой опасности для человека этот источник радиации не представляет, так как альфа-лучи не могут пройти даже через лист бумаги и полностью поглощаются слоем воздуха толщиной несколько сантиметров. Способность частичек пыли к электризации широко используется в электростатических пылеуловителях. Газ, содержащий, например, частицы сажи, поднимаясь вверх, проходит через отрицательно заряженную металлическую сетку 1, в результате чего эти частицы приобретают отрицательный заряд 2. Продолжая подниматься вверх, частицы оказываются в электрическом поле положительно заряженных пластин 3,4, к которым они притягиваются, после чего частицы падают в специальные ёмкости 5, откуда их периодически удаляют.

Биоэлектростатика

Одна из причин астмы – продукты жизнедеятельности пылевых клещей, насекомых, размером около 0,5 мм, живущих в нашем доме. Исследования показали, что приступы астмы вызываются одним из белков Der p1, который выделяют эти насекомые. Структура этого белка напоминает подкову, оба конца которой заряжены положительно. Электростатические силы отталкивания между концами «подковы» делают его структуру стабильной. Однако свойства белка можно изменить, если нейтрализовать его положительные заряды. Это удаётся сделать, если увеличить концентрацию отрицательных ионов в воздухе с помощью любого ионизатора, например, люстры Чижевского. Одновременно с этим уменьшается и частота приступов астмы.

Электростатика помогает не только обезвреживать белки, выделяемые насекомыми, но и ловить их самих. Известно, что волосы «встают дыбом», если их зарядить. Можно себе представить, что испытывают насекомые, когда оказываются электрически заряженными. Тончайшие волоски на их лапках расходятся в разные стороны, и насекомые теряют способность передвигаться. На таком принципе основана ловушка для тараканов. Тараканов привлекает сладкая пудра, предварительно электростатически заряженная. Пудрой покрывают наклонную поверхность вокруг ловушки. Оказавшись на пудре, насекомые заряжаются и скатываются в ловушку.

Что такое антистатика?

Одежда, ковры, покрывала и подобные вещи заряжаются после контакта с другими предметами, а иногда и просто со струями воздуха. В быту и на производстве заряды, возникающие на предметах, часто называют статическим электричеством. При нормальных атмосферных условиях натуральные волокна (из хлопка, шерсти, шёлка и вискозы) хорошо впитывают влагу (гидрофильны) и поэтому слегка проводят электричество. Когда натуральные волокна касаются других материалов или трутся о них, на их поверхности появляются избыточные электрические заряды, но на очень короткое время, так как эти заряды сразу же стекают обратно по влажным волокнам ткани, содержащим различные ионы. В отличии от натуральных волокон синтетические волокна (полиэфирные, акриловые, полипропиленовые) плохо впитывают влагу (гидрофобны), и на их поверхности меньше подвижных ионов. При контакте синтетических материалов друг с другом они заряжаются противоположным зарядом, но так как заряды очень медленно стекают с синтетических материалов, то эти материалы прилипают друг к другу, создавая неудобства и неприятные ощущения. Кстати, волосы по структуре очень близки к синтетическим волокнам и тоже гидрофобны. Поэтому при контакте, например, с расчёской они заряжаются и начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы избавиться от статического электричества, поверхность одежды или другого предмета, можно смазать веществом, которое удерживало бы влагу и этим увеличивало концентрацию подвижных ионов на поверхности. После такой обработки возникший электрический заряд быстро исчезает с поверхности предмета или распределится по ней. Гидрофильность поверхности можно увеличить, смазав её поверхностно-активными веществами, молекулы которых похожи на мыльные молекулы – одна часть очень длинной молекулы заряжена, а другая нет. Вещества, препятствующие появлению статического электричества, называют антистатиками. Антистатиком является и обычная угольная пыль или сажа. Поэтому, чтобы избавиться от статического электричества, в состав пропитки ковролиновых покрытий и обивочных материалов включают так называемую ламповую сажу. Для этих же целей в состав материалов из синтетических волокон включают до 3 % натуральных волокон, а иногда и тонкие металлические нити.