Проявление электрических явлений

Поскольку заряды статического электричества, сообщенные диэлектрическим материалом в результате электризации, оказываются как бы закрепленными в отдельных точках, отличающихся весьма низкой электропроводностью, то между наэлектризованными телами или их участками возникают силовые взаимодействия. Эти взаимодействия могут иметь как положительный эффект, так и отрицательный.

Немецкий физик Отто фон Герике (1602 - 1686) построил простую «электризующую машину». Так назывался аппарат, с помощью которого можно было посредством трения непрерывно получать электрические заряды. Его машина представляла собой большой шар из серы, который мог свободно вращаться. Когда вращали шар и одновременно касались его рукой для «производства трения», то сера заряжалась. Вскоре эта машина была усовершенствована, что позволило получать очень высокие напряжения – до сотен тысяч вольт, но количество зарядов оставалось недостаточным для возникновения технически применяемого тока на достаточно длительное время.

Явления электростатики находят широкое применение в различных приборах, аппаратах, электронно-оптических приборах, ускорителях заряженных частиц и т. п. Примером таких приборов является вольтметр электростатической системы, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

На незначительном расстоянии друг от друга расположены три металлические пластины, средняя из которых подвижна и может отклоняться и перемещать стрелку или зеркальный отражатель отсчетного механизма. При подключении такого прибора к источнику напряжения средняя пластина будет отталкиваться от левой пластины и притягиваться к правой, перемещая стрелку прибора вдоль шкалы.

 

Рис.1. Схема вольтметра электростатической системы

 

Достоинством вольтметра электростатической системы по сравнению с вольтметрами других систем является ничтожно малое собственное потребление энергии от источника сигнала, высокое входное сопротивление, возможность использования как в цепях постоянного, так и переменного тока, широкий частотный диапазон. Чувствительность данных вольтметров, однако, относительно мала, т. к. только при напряжении около 100 В возникает достаточная сила притяжения, которая может регистрироваться прибором.

С другой стороны, заряды от трения возникают очень часто. Общеизвестно, что наши волосы и расческа при расчесывании электризуются. Вызывает неудобство тот факт, что и другие предметы склонны заряжаться. На грампластинки, компакт-диски, например, упорно оседает пыль и попытки ее стереть только ухудшают дело: пластинки от этого заряжаются еще сильнее и удерживают пыль еще крепче. Помощь в данном случае может оказать «платок-антистатик», при вытирании пластинки которым заряд сразу снимается.

При известных обстоятельствах приводной ремень, соединяющий элек-тродвигатель с исполнительным механизмом или машиной, заряжается до столь высокого напряжения, при котором между ремнем и заземленными частями машины могут проскакивать искры. Подобные явления могут наблюдаться на предприятиях текстильной и бумажной промышленности. Здесь эти явления очень мешают ведению технологических процессов, т. к. бумажные листы слипаются друг с другом, а нити распушиваются, притягиваются или смещаются, особенно – при обработке синтетических и шелковых материалов. Происходит это потому, что все волокна нити при прохождении через направляющий ролик электризуются.

При транспортировке непроводящих жидкостей по трубам  или через сопла из изоляционных материалов может возникнуть весьма сильная электризация. Это опасно, т. к. многие непроводящие жидкости горючи (например – бензин). Именно поэтому заправщики на бензоколонках не заливают бензин в пластмассовую тару.

В современном промышленном производстве, связанном с изготовлением, обработкой и транспортированием сыпучих материалов, широко применяются такие технологические операции как просев, сушка в кипящем слое и т. п.. В этих процессах материалы, обладающие низкой электропроводностью, способны сильно электризоваться, что в ряде случаев может нарушать ход технологического процесса, а при определенных условиях создает угрозу взрыва и пожара за счет разрядов статического электричества. При некоторых операциях с нефтепродуктами происходит накопление зарядов статического электричества, которые не только препятствуют интенсификации технологических операций, но и служат источником многочисленных взрывов и пожаров на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Движение жидких углеводородов относительно твердого, жидкого или газообразного тела может привести к разделению электрических зарядов на поверхности соприкосновения. При движении жидкости по трубе слой находящихся на поверхности жидкости зарядов уносится ее потоком, а заряды противоположного знака остаются на трубе, и если металлическая труба заземлена, стекают в землю. Если трубопровод изолирован от земли или изготовлен из диэлектрических материалов, он приобретает положительный заряд, а жидкость – отрицательный.

Степень электризации нефтепродуктов зависит от состава и концентрации, содержащихся в них активных примесей, физико-химического состава нефтепродуктов, состояния внутренней поверхности трубопровода или технологического аппарата, диэлектрических свойств, вязкости и плотности жидкости, скорости движения жидкости, диаметра и длины трубопровода. Так, присутствие 0,002% механических примесей превращают инертное углеводородное топливо в электризуемое до опасных приделов. Для выяснения причин подобных последствий и определения методов предотвращения и защиты от них рассмотрим основные свойства взаимодействия электрических зарядов.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Если существуют электрические заряды, то в окружающем их пространстве образуется электрическое поле, действие которого проявляется при внесении в него заряженных и нейтральных (незаряженных) предметов, как проводников, так и изоляторов.

Понятие физического поля, одного из видов материи, не следует отождествлять с математическим понятием поля некоторой функции. Термином поле вектора (скаляра) в математике обозначают область пространства, в каждой точке которого рассматриваемому вектору (скаляру) приписывается определенное значение.

В этом смысле можно говорить о поле вектора-напряженности электрического поля Е, о поле скаляра-потенциала   φ  его отдельных точек [2].

Напряженность электрического поля Е  в данной точке есть векторная величина, равная отношению силы F, с которой поле действует на точечный заряд   q,  к величине этого заряда:

                                         E =  ,  .                                                 (1)

Точечным называют заряд такого тела, размеры которого весьма малы по сравнению с рассторянием от него до точки, в которой рассматривается поле. Очевидно, что плотность точеного заряда при даннях условиях можно считать равной бесконечности.

А сила, действующая на заряд q может быть определена по закону Кулона:

                              F = , Н,                            (2)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

 – диэлектрическая проницаемость вакуума

 = 8,85 10^{-12 ;}

 r – расстояние между зарядами.

Напряженность электрического поля получаем подставив (2) в (1):

                    Е = , .                                        (3)

В каждой точке электростатического поля напряженность электрического поля имеет вполне конкретное значение, определяемое конфигурацией наэлектризованного тела, его электропроводностью и характером распределения заряда по поверхности или в объеме. Графически электрическое поле зарядов изображают в виде силовых линий, густота которых пропорциональна напряженности электрического поля в данной точке пространства (рис. 2). Силовые линии зарядов всегда замкнуты и оканчиваются на зарядах противоположного знака. Если в пространстве помещен уединенный электрический заряд одного знака, то принято считать, что силовые линии создаваемого им поля замыкаются на индуцированных им зарядах противоположного знака в бесконечности. Практически за бесконечность принимают поверхность земли или заземленные предметы. Таким образом, в пространстве между наэлектризованным телом и заземленными предметами всегда имеется электрическое поле, а на поверхности заземленных предметов – индуцированные заряды противоположного знака.

Энергетические характеристики электрического поля определяются потенциалами точек этого поля. Потенциалом любой точки электрического поля является энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы переместить единицу электрического заряда одного знака с зарядом, создающим электрическое поле, из бесконечности в данную точку поля. При этом потенциал бесконечно удаленных от зарядов точек принимается равным нулю.

Следует еще отметить одну особенность силовых линий электрического поля: эти лини в месте контакта с наэлектризованной поверхностью остаются всегда перпендикулярными к ней. Отсюда следует: чем меньше радиус кривизны наэлектризованной поверхности, тем выше напряженность электрического поля у такой поверхности. Это же подтверждает анализ математического выражения, определяющего напряженность электрического поля (3). Графически изменения напряженности поля выражается повышением плотности силовых линий в месте изменения кривизны поверхности заряженного тела (рис. 2, в).

 

q

Е

Е

q

φ

r

q

a

б

в

Рис. 2. Электрические поля простейших конфигураций:

а – заряд, сосредоточенный в точке; б – заряд, расположенный над заземленной поверхностью; в – заряд тела с неодинаковой кривизной поверхности.

 

С другой стороны напряженность электрического поля есть не что иное, как «падение напряжения» вдоль силовой линии поля, т. е. значение напряжения, которое приходится на единицу длины силовой линии. Отсюда следует, что повышение напряжения между заряженными телами или уменьшение расстояния между ними неизменно приводит к повышению напряженности электрического поля.

Однако безграничное повышение напряженности поля невозможно в связи с тем, что при определенном значении, зависящем от материала, отделяющего заряженные тела друг от друга (чаще всего таким материалом является воздух), происходит самопроизвольное выравнивание потенциалов между зарядами в виде электрического разряда, электрических искр или молний. Значения напряженности поля, при котором происходит «пробой», имеет большое значение для электротехники, т. к..определяет, какое наивысшее напряжение может выдержать данный изоляционный материал при определенной толщине. Некоторые данные об электрической (пробивной) прочности отдельных материалов приведены в табл.1.

Приведенные данные справедливы для однородных электрических полей. В неоднородных полях эти соотношения значительно сложнее, т. к. в них уже нет соответствия между длиной силовой линии и расстоянием между зарядами. Кроме того, силовые линии располагаются не параллельно и не одинаково плотно. Поэтому напряженность электрического поля имеет разное значение и разное направление вектора при переходе от одной точки пространства к другой в неоднородном поле.

Можно сказать, что напряженность поля больше там, где возникает наибольшая плотность силовых линий, а именно, на острых выступах, ребрах или закруглениях с малым радиусом кривизны. В этих местах возникает особо высокая напряженность электрического поля. Может возникнуть так называемое «явление острия»: в непосредственной близости от ребра или острого выступа наэлектризованной поверхности воздух становится частично электрически проводящим, и в этом месте электрический заряд начинает стекать с тела в пространство (к заземленным телам).

                                                                                             Таблица 1

 Электрическая прочность некоторых изоляционных материалов

Материал	электрическая прочность s w:val="28"/></w:rPr><m:t>РљР’</m:t></m:r></m:num><m:den><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>РјРј</m:t></m:r></m:den></m:f></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="850" w:right="850" w:bottom="850" w:left="1417" w:header="708" w:footer="708" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">	Материал	электрическая прочность s w:val="28"/></w:rPr><m:t>РљР’</m:t></m:r></m:num><m:den><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>РјРј</m:t></m:r></m:den></m:f></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="850" w:right="850" w:bottom="850" w:left="1417" w:header="708" w:footer="708" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">
Воздух (при  20  С      и 760 мм рт. ст.)	3,2	Фарфор электротехнический	20
Бумага	6 – 8	Парафин	30
Битум	6 – 15	Полихлорвинил (ПХВ)	50
Эбонит	25	Слюда	60 – 200

 

 

Рис. 3. Схема электрического фильтра.

 

Обычно это явление в технике нежелательно. Так, на высоковольтных линиях электропередач определенная доля энергии рассеивается в пространстве из-за «эффекта короны» (потерь на корону) и таким образом теряется для потребления.

Однако «эффект короны» широко используется в электрических фильтрах (рис. 3) для очистки дымовых газов от пыли. Дымовые газы проходят через металлический заземленный цилиндр. По продольной оси цилиндра натянут провод, тщательно изолированный от стенок цилиндра. Цилиндр и провод включаются в цепь источника высокого напряжения. В непосредственной близости от провода силовые линии электрического поля располагаются более плотно, чем обусловлена более высокая напряженность поля, вследствие чего из провода вырываются электроны. Они устремляются в радиальном направлении и при этом отрицательно заряжают пролетающие мимо частицы пыли. Стенки цилиндра, соединенные с положительным полюсом источника постоянного напряжения, притягивают эти частицы, которые, ударяясь о стенки цилиндра, отдают свой заряд и под действием сил гравитации падают вниз и удаляются из фильтра.