К.Ю. Богданов

Что может электростатика

...Все предсказания электростатики следуют из двух её законов. Но одно дело высказать эти вещи математически, и совсем другое — применять их с легкостью и с нужной долей остроумия.

Ричард Фейнман (ФЛФ, т.5, c.90, Москва, Мир, 1966)

 

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных зарядов. Ключевые эксперименты электростатики были проведены в XVII – XVIII в.в. 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, о чём рассказано в предлагаемом читателю коротком обзоре.

 

Электростатика и жизнь

В 1953 году американские учёные С. Миллер (S. Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков жизни" - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через газ, близкий по составу "первобытной" атмосфере Земли, состоящей из метана, аммиака, водорода и паров воды (см. рис.1). 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.

 

Подпись к рисунку 1. Слева, С. Миллер, проводящий эксперимент, схема которого показана справа. 1 – электроды внутри колбы, заполненной "первобытной" атмосферой, между которыми возникали электрические разряды; 2 – циркуляция охлаждающей жидкости, приводящей к конденсации водяных паров; 3 – источник тепла; 4 – кипящая вода; 5 – к вакуумному насосу. Тонкими стрелками показано движение газа и паров внутри замкнутой системы.

  
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 каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии около 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность Земли, и в среднем 1 кв. км поражается молнией шесть раз в году. Ещё Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков – это электрические разряды, переносящие на неё отрицательный заряд. При этом каждый из разрядов снабжает Землю несколькими десятками Кл, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъёмка показала, что разряд молнии длится лишь десятые доли секунды и состоит из нескольких более коротких.

 

С помощью измерительных приборов, установленных на атмосферных зондах, в начале 20-го века было измерено электрическое поле Земли, напряжённость которого у поверхности, оказалась равной 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 образовался электропроводящий слой, ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоёв в нижние всё время течёт ток 2 - 4 кА, плотность которого составляет 1 - 2^.10^-12 А/м², и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если не было бы молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор Земли разряжается, а 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, поднимающегося снизу от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем более 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 (см. рис.2). Другими словами, верхушка облака заряжается положительно, а низ – отрицательно. Всё готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха, и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Подпись к рисунку 2. Схематическое изображение разделения электрических зарядов в грозовом облаке и появления положительных зарядов на земле под облаком вследствие электростатической индукции перед разрядом молнии.

Под грозовым облаком плотность наведённых на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля может превышать 100 кВ/м, т.е. в 1000 раз превышать её значение 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 (см. рис.3).

Подпись к рисунку 3. Как встают волосы в сильном электрическом поле.

 

Фульгурит – след молнии на земле

При разряде молнии выделяется энергия 10⁹ ¸ 10¹⁰ Дж. Бòльшая 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 30000 °С, что гораздо выше температуры плавления песка (1600 – 2000 °C). 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, сделанные из оплавленного песка (см. рис. 4).  Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров.

  

Подпись к рисунку 4. Слева – фульгуриты, найденные автором в окрестностях района Крылатское г. Москвы; для масштаба на том же фото показана пятирублёвая монета. Справа - схематическое изображение процесса возникновения фульгурита (см. текст).

 

Как электростатика защищает от молний

К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому не угрожают здоровью людей. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведётся такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек, и более ста из них погибают. Учёные давно пытались защитить людей от этой «кары божьей». Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской "Энциклопедии" защищал традиционные способы предотвращения молнии – колокольный звон и стрельба из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

В 1775 году Б. Франклин, пытаясь защитить здание Капитолия столицы штата Мериленд от удара молнии, прикрепил к зданию толстый железный стержень, возвышающийся над куполом на несколько метров и соединённый с землёй. Ученый отказался патентовать свое 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 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 произошел в 1780 году в одном небольшом городке (г. 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. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну, а 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 и может вернуть жизнь людям, у которых клетки сердца перестали синхронно 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 (см. рис.5). При этом энергия разряда через грудную клетку может достигать 400 Дж, что равно потенциальной энергия пудовой гири приподнятой на высоту 2,5 м.  Устройство, обеспечивающее электрический разряд, прекращающий фибрилляцию сердца, называют дефибриллятором. Простейший дефибриллятор представляет собой колебательный контур, состоящий из конденсатора ёмкостью около 20 мкФ и катушки с 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.  

Подпись к рисунку 5. Расположение электродов на грудной клетке пациента при электрической дефибрилляции сердца.

 

Электростатика, дающая свет

Люминесцентная лампа может служить удобным индикатором напряжённости электрического поля. Чтобы убедиться в этом, находясь в тёмном помещении, потрём лампу полотенцем или шарфом, в результате внешняя поверхность лампового стекла зарядится положительно, а ткань отрицательно. Как только это произойдёт, мы увидим всполохи света, возникающие 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 люминесцентной лампы.

Электрическое поле под высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП) может достигать очень высоких значений. Поэтому, если в тёмное время суток люминесцентную лампу воткнуть в землю под ЛЭП, то она загорится и довольно ярко (см. рис.6). Так с помощью энергии электростатического поля можно освещать пространство под ЛЭП.

Подпись к рисунку 6. Свечение люминесцентных ламп, воткнутых в землю под высоковольтными линиями электропередач.

 

Как электростатика предупреждает о пожаре и делает дым чище

В большинстве случаев при выборе типа детектора пожарной сигнализации предпочтение отдается дымовому датчику, так как пожар обычно сопровождается выделением большого количества дыма, и именно этот тип детектора способен предупредить людей в здании об опасности. Дымовые датчики используют ионизацию или фотоэлектрический принцип для обнаружения дыма в воздухе.

В ионизационных детекторах дыма используется источник a - излучения (как правило, америций-241, ²⁴¹Am), ионизирующий воздух между металлическими пластинами-электродами, электрическое сопротивление между которыми постоянно измеряется с помощью специальной схемы.

Подпись к рисунку 7. Слева – внешний вид ионизационного детектора дыма; справа – "разноцветные" ионы, образующиеся в результате a - излучения, обеспечивают проводимость между электродами (верх), которая исчезает, когда появляются частички пыли (чёрные точки).

 

Оказывающиеся между пластинами микрочастицы дыма связываются с ионами, нейтрализуют их заряд, и увеличивают таким образом сопротивление между электродами, 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 (см. рис. 8). Газ, содержащий, например, частицы сажи, поднимаясь вверх (синие стрелки), 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), к которым они притягиваются (4), после чего частицы падают в специальные ёмкости (5), откуда их периодически удаляют. 

Подпись к рисунку 8. Схема промышленного электростатического пылеуловителя. Объяснения в тексте.

 

Биоэлектростатика

Одна из причин астмы – продукты жизнедеятельности пылевых клешей, насекомых размером около 0,5 мм, живущих в нашем доме (см. рис. 9).

Подпись к рисунку 9. Пылевой клещ, продукты жизнедеятельности которого, являются причинами астмы.

 

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 такого подковообразного белка 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 (см. рис. 10). Одновременно с этим уменьшается и частота приступов астмы.  

Подпись к рисунку 10. Один из типов люстры Чижевского.

 

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, показанная на рисунке 11. Тараканов привлекает сладкая пудра, предварительно электростатически заряженная. Пудрой (белая) покрывают наклонную поверхность, находящуюся вокруг ловушки (голубая). Оказавшись на пудре, насекомые становятся заряженными и скатываются в ловушку.

Подпись к рисунку 11. Электростатическая ловушка для тараканов.

 

Что такое антистатики?

Одежда, ковры, покрывала и т.п. 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 или трутся о другие материалы, на их поверхностях появляются избыточные электрические заряды, но на очень короткое время, т.к. эти заряды сразу же стекают обратно по влажным волокнам ткани, содержащим различные ионы.

В отличие 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 электричеством 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 его поверхности. После такой обработки возникший электрический заряд быстро исчезнет 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.