V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Статическое электричество
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Все мы знакомы с явлением под названием электрический ток. Когда электроны по проводнику двигаются из пункта А в пункт Б, по пути делая еще кое-какую работу, которую задает им человек. Накалить утюг, остудить холодильник, показать нам интересный фильм. Они - электроны - как стая маленьких муравьишек, вместе способные горы свернуть. А провода для них - единственно возможный путь, с различными заданиями и препятствиями на нем. Электроны свободно бегут по проводам, потому что провода сделаны из специальных материалов - проводников. И тут, вроде бы, все понятно. Но есть материалы не проводящие электричество - диэлектрики. Они не дают электронам двигаться. И тут все, вроде бы, тоже понятно: нет электрического тока.
Однако вы удивитесь, что на поверхности диэлектрика может образоваться такое напряжение, какое не сыщешь ни в одной розетке. В сотни тысяч и даже в миллионы Вольт! И это тоже электричество. Люди зовут его “Статическое электричество”. Потому, что наши “муравьишки” никуда не бегут - они стоят на месте. Однако, желание их бежать так велико, что некоторое расстояние они могут “перепрыгнуть”, создавя тем самым завораживающее зрелище - электрический разряд или молнию.
Повзольте вам представить наше исследование статического электричества (далее - СЭ), цели которого: понять, что такое СЭ; увидеть СЭ, а для этого построить соответствующий прибор; получить СЭ при помощи янтаря и шерсти; увидеть молнию без тучи, а, возможно, даже научиться левитировать; и, наконец, сделать выводы из полученных результатов и предложить собственный вариант использования СЭ.
Задачи в рамках исследования:
Изучить проявления СЭ в быту и на производстве;
Построить прибор для обнаружения СЭ;
Исследовать полезные свойства СЭ и опасности связанные с его накоплением;
Поставить эксперименты по получению и использованию СЭ;
Сделать вывод по исследованию СЭ и применить полученный опыт.
Предмет исследования: причины возникновения и накопления СЭ, возможные пути предотвращения накопления СЭ, способы его утилизации и варианты использования СЭ на благо человечества. Объектом исследования является статическое электричество.
Гипотеза: изучив источники возникновения, свойства, принцип действия и существующие способы применения статического электричества, мы попытаемся поставить его на службу человечества.
Новизна: научно-обоснованное использование статического электричества - нового возобновляемого источника энергии.
Глава I
1.1 Определение и свойства.
Стати́ческое электри́чество — совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объёме диэлектриков или на изолированных проводниках. [3]
Обычно атом находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных частиц - протонов и электронов. Электроны могут легко перемещаются от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Когда происходит такой дисбаланс, возникает статическое электричество. [2,5]
1.2 Причины возникновения и способы проявления.
Основным причинами возникновения СЭ можно назвать:
Контакт между двумя материалами и их отделение друг от друга (включая трение, намотку/размотку и пр.).
Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
Радиация с высокими значениями энергии, УФ излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля.
Резательные операции (например, на раскроечных станках ).
Наведение (вызванное статическим зарядом возникновение электрического поля).
Поверхностный контакт и разделение материалов, возможно, являются наиболее распространенными причинами возникновения статического электричества на производствах, связанных с обработкой рулонных пленок и листовых пластиков. Статический заряд генерируется в процессе разматывания/наматывания материалов или перемещения друг относительно друга различных слоев материалов. [2,20]
1.3 Проблемы и опасности, связанные со статическим электричеством
Если объект имеет способность накапливать значительный заряд, и если имеет место высокое напряжение, статическое электричество приводит к возникновению таких серьезных проблем, как искрение, электростатическое отталкивание/притягивание или электропоражение персонала.
Статический разряд в электронике. Ток разряда порождает тепло, которое приводит к разрушению соединений, прерыванию контактов и разрыву дорожек микросхем. Высокое напряжение уничтожает также тонкую оксидную пленку на транзисторах.
Электростатическое притяжение/отталкивание. Это наиболее широко распространенная проблема, возникающая на предприятиях, связанных с производством и обработкой пластмасс, бумаги, текстиля и в смежных отраслях. Она проявляется в том, что материалы самостоятельно меняют свое поведение - склеиваются между собой или, наоборот, отталкиваются, прилипают к оборудованию, притягивают пыль, неправильно наматываются на приемное устройство и пр.
Риск возникновения пожара. Риск возникновения пожара не является общей для всех производств проблемой. Но вероятность возгорания очень велика на полиграфических и других предприятиях, где используются легковоспламеняющиеся растворители.
Статический удар. Если человек находится в электрическом поле и держится за заряженный объект, например, за намоточную бобину для пленки, возможно, что его тело зарядится и позже разрядится о заземленный объект, нанося электрическое поражение. Помимо этого, если металлический незаземленный объект находится в электрическом поле, он может зарядиться наведенным зарядом. По причине того, что металлический объект является токопроводящим, подвижный заряд разрядится в человека, который дотрагивается до объекта.[2,21]
Глава II
2.1 Статическое электричество на службе у человека.
Статическое электричество в технике. Когда электризация тел полезна
Статическое электричество может быть верным помощником человека, если изучить его закономерности и правильно их использовать. Давайте рассмотрим некоторые существующие способы применения СЭ.
Маляр без кисточки
Движущиеся на конвейере окрашиваемые детали, например корпус автомобиля, заряжают положительно, а частицам краски придают отрицательный заряд, и они устремляются к положительно заряженной детали. Слой краски на ней получается тонкий, равномерный и плотный. Действительно одноименно заряженные частицы красителя отталкиваются друг от друга — отсюда равномерность окрашивающего слоя. Частицы, разогнанные электрическим полем, с силой ударяются об изделие — отсюда плотность окраски. Расход краски снижается, так как она осаждается только на детали. Метод окраски изделий в электрическом поле сейчас широко применяют в нашей стране.
Электрические копчености
Копчение — это пропитывание продукта древесным дымом. Частицы дыма не только придают продуктам вкус, но и предохраняют их от порчи. При электрокопчении частицы коптильного дыма заряжают положительно, а отрицательным электродом служит, например, тушка рыбы. Заряженные частички дыма оседают на поверхности тушки и частично поглощаются ею. Все электрокопчение продолжается несколько минут; прежде копчение считалось длительным процессом.
Электрический ворс
Чтобы получить в электрическом поле слой ворса на каком-либо материале, надо материал заземлить, поверхность покрыть клеящим веществом, а затем через заряженную металлическую сетку, расположенную над этой поверхностью, пропустить порцию ворса. Ворсинки быстро ориентируются в поле и, распределяясь равномерно, оседают на клей строго перпендикулярно поверхности. Так получают покрытия, похожие на замшу или бархат. Легко получить разноцветный узор, заготовив порции разного по цвету ворса и несколько шаблонов, которыми в процессе электроворсования прикрывают поочередно отдельные участки изделия. Так можно сделать многоцветные ковры.
Как ловят пыль
Чистый воздух нужен не только людям и особо точным производствам. Все машины из-за пыли преждевременно изнашиваются, а каналы их воздушного охлаждения засоряются. Кроме того, часто пыль, улетающая с отходящими газами, представляет собой ценное сырье. Очистка промышленных газов стала необходимостью. Практика показала, что с этим хорошо справляется электрическое поле. В электрическом поле газ в трубе ионизируется. Под воздействием поля частицы сажи движутся к трубе и осаждаются на ней, а очищенный газ выходит в атмосферу. Трубу время от времени встряхивают, и уловленные частицы поступают в бункер. Электрические фильтры на крупных тепловых электростанциях улавливают 99% золы, содержащейся в выходных газах.
Смешение веществ
Если мелкие частицы одного вещества зарядить положительно, а другого — отрицательно, то легко получить их смесь, где частицы распределены равномерно. Например, на хлебозаводе теперь не приходится совершать большую механическую работу, чтобы замесить тесто. Заряженные положительно крупинки муки воздушным потоком подаются в камеру, где они встречаются с отрицательно заряженными капельками воды, содержащей дрожжи. Крупинки муки и капельки воды, притягиваясь друг к другу, образуют однородное тесто.[2,26]
2.2. Эксперименты со статическим электричеством.
Детектор СЭ.
Для обнаружения статического электричества мы будем использовать статическое поле, образуемое им. Из выше сказанного следует, что, чтобы навести статический заряд, достаточно поместить предмет в статическое поле. Получая одноименный заряд, разные части этого предмета начинают отталкиваться друг от друга. Мы используем две довольно легкие пластины фольги, чтобы обнаружить даже небольшой заряд, проводник к ним, а также экранирующую колбу. (рис. 1)
Статическое электричество из янтаря.
Древнейший из опытов с электричеством. Когда-то люди еще не знали, что такое электричество или электрон, в нашем сегодняшнем понимании. Однако, они знали слово “электрон”, что в переводе с греческого означает янтарь. Именно на разряде наэлектролизованного янтаря древние люди влервые увидели электроны, летящие скрозь воздух. Гораздо позже, когда электрон-частица был открыт, ему дали имя электрона-янтаря в честь того самого, тогда необъяснимого явления.
Мы натрем янтарь шерстяным носком, вследствие чего он получит заряд. Поднесем его к металлическому предмету и увидим разряд.
Левитирующее кольцо.
Для этого опыта нам понадобятся: воздушный шар, ворсистая ткань, отрезок “дождика”.
Связываем два конца отрезка дождика, получается кольцо. Берем надутый шар у основания, максимально далеко от места, которое будем электролизовать с помошью ткани. Натираем “макушку” шара. Он получил заряд, что можно проверить поднеся шар к волосам. Далее бросаем на шар кольцо. Важно не дотрагиваться до кольца в момент касания им шара.
И, кольцо парит над шаром, имея с ним одинаковый заряд. Более того, кольцо приняло почти идеальную круглую форму, поскольку каждая его часть стремиться улететь от другой.
2.3. Выводы и предложения.
У каждого из нас дома несколько десятков электрических розеток. Современная розетка - трехконтактная. Два контакта - по которым течет электрический ток. Третий контакт используется для снятия статического электричества. Оно просто утилизируется в землю. В масшабах квартиры это небольшие заряды или потенциалы, но в масштабах многоквартирного дома или целого квартала - это Мегавольты электроэнергии. На предприятиях этот показатель гораздо больше. Все, что связано с трением, намоткой и разделением генерирует Гигавольты и десятки Гигавольт потенциала, которые тоже бесцельно утилизируются.
Обратно в электросеть вернуть это электричество довольно сложно, хотя есть и такие разработки. Однако, и разбрасываться таким потенциалом чересчур расточительно. Мы бы хотели предложить необычный способ применения статического электричества:
Сборка сложных молекул, например белков. Начинаем с простых молекул и, постепенно, “приклеиваем” к нему нужные нам вещества, заряжая то те то другие нужными нам зарядами. Так можно построить молекулу без сложных химических реакций и долгих биологических процессов. Представьте, что с одной стороны наша простая молекула, а с другой в отдельных контейнерах разные вещества из таблицы Менделеева. С помощью статического поля мы поворачиваем нашу молекулу нужным боком, заряжаем ее; а на вещество из таблицы менделеева подаем противоположный заряд. Оно движется в статическо поле и присоединяется к нашей молекуле в нужное место. И так далее, пока не получиться нужная нам сложная молекула.
Заключение
Что ж, пришло время подвести итоги. Мы изучили теоретические основы статического электричества. Раскрыли содержание определения статического электричества. Узнали, что заряд может образовываться на диэлетриках, совершенно не проводящих электричество, но способных быть причиной его возникновения. Узнали, что единицей заряда является куллон, и самый маленький заряд в природе - (- или +)1,6х10-19- это заряд электрона и протона. Далее мы изучили все возможные способы проявления статического электричества в повседневной жизни человека и на производственных предприятиях. Узнали чем оно опасно и что можно предпринять, чтобы исключить возможный материальный ущерб или причение вреда жизни и здоровью человека.
Далее выяснили каким образом СЭ помогает человеку: позволяет нам красить сухой краской, придать более насыщенный вкус продуктам, создать необычные материалы для одежды и обуви, избавить промышленные предприятия от вредных выбросов, смешать разнородные вещества более быстро и качественно.
Затем мы построили прибор для обнаружения электростатического поля из подручных материалов. Это прототип прибора для измерения электрического заряла - электрометра. Показали как этектростатический заряд может поляризовать прибор посредством поля и передать часть своего заряда ему посредством разряда.
Мы провели наглядные опыты, иллюстрирующие электростатический разряд и электростатическое притяжение/отталкивание.
На основании изученного материала и полученного в ходе экспериментов опыта, нами было разработано предложение по сборке сложных молекул из простых.
Тема электричества и статического электричества в частности интересовала ученых всегда. Величайшие умы занимались выведением законов и изобретением установок в этой области на протяжении веков. Но, по нашему мнению, истинный потенциал кулоновских ваимодействий еще не раскрыт. Если весь Мир держится за счет только положительных и отрицательных зарядов, значит энергия их - почти безгранична. Надо просто правильно научиться ей пользоваться. И, возможно уже в следующем столетии, мы будем жить без автомобильных выхлопов, заводов, коптящих трубами, химических выбросов в атмосферу и воду, бездумного расходования водных ресурсов, ради добычи нефти или производства картона... Нужно просто немного подумать. Давайте селаем это вместе. Спасибо за внимание!
Список источников и литературы
Гудилин Е. А. Самосборка “Словарь нанотехнологических терминов” Роснано, 2012 г.
Казанжи К. К. “Статическое электричество. Новое в жизни, науке, технике М:, Знание, 1965 г.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ампер,_Андре-Мари
https://ru.wikipedia.org/wiki/Вольта,_Алессандро
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гилберт,_Уильям
https://ru.wikipedia.org/wiki/Кулон,_Шарль_Огюстин_де
https://ru.wikipedia.org/wiki/Статическое_электричество