Электризация трением на производстве и в быту

 

Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой, но одновременно ставит множество новых проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.

Вот несколько примеров.

На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.

Такая «самопроизвольная» электризация весьма опасна, так как может стать причиной пожара.

При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса.

Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.

Есть ли способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.

На производстве — это тщательное заземление станков, машин, применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода «нейтрализаторов» (по условиям производства — индукционных, электрических, радиоизотопных, электроаэрозольных и др.).

В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60—70% (для этого можно использовать электрические увлажнители). Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также если протирать электризующиеся поверхности глицерином. Химическая промышленность сейчас выпускает препарат «Антистатик», который снимает электрический заряд с синтетической одежды.

При соприкосновении наэлектризованного тела с заземленной поверхностью происходит электрический разряд. Влияние его на организм человека также изучается.

В результате исследований, проведенных в Ленинграде, было установлено, что разрядный ток силой до 20 мкА не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Следовательно, разряды, возникающие в быту и при большинстве технологических процессов в результате соприкосновения наэлектризованного человеческого тела с заземленной поверхностью, не опасны для здоровья.

Следует отметить, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней.

Сильные электрические поля используются в медицине при создании электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных аэрозолей: капельки электроаэрозоля сильнее измельчаются, меньше слипаются, при определенных условиях они глубже проникают в легкие (вплоть до мельчайших легочных ячеек — альвеол), создавая в них запасы постепенно всасывающихся лекарственных или биологически активных веществ.

ОПЫТ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА

 

В начале XX в. советский физик Абрам Федорович Иоффе и американский ученый Роберт Милликен (независимо друг от друга) проделали опыты, доказавшие существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, и позволившие измерить этот заряд.

В чем заключался опыт, вам известно из учебника. Мы хотим рассказать немного о жизни и деятельности этих физиков и процитировать отрывки из их книг, где они рассказывают о своем эксперименте.

Абрам Федорович Иоффе родился в 1880 г. на Украине в г. Ромны. Окончил Петербургский технологический институт в 1902 г. и уехал в Германию продолжать образование. Он учился в Мюнхенском университете, который окончил в 1905 г. Его учителем был знаменитый В. Рентген. В 1906 г. Иоффе вернулся в Россию с дипломом доктора философских наук Мюнхенского университета и начал научно-педагогическую деятельность в Петербургском политехническом институте. В 1915 г. ему присвоили степень доктора Петербургского университета за исследование упругих и электрических свойств кварца.

После Октябрьской революции по его предложению и под его руководством во вновь созданном Государственном институте рентгенологии и рентгенографии организуется физико-технический отдел. Обстановка, в которой пришлось вести работу, была сложной: шла гражданская война; молодое Советское государство находилось в кольце врагов, которых поддерживали капиталисты всего мира; голод; разруха; старые научные кадры не все приняли революцию, часть уехала за границу; научные связи с другими странами почти полностью прерваны. И в это время А. Ф. Иоффе при содействии А. В. Луначарского создал в Петрограде научное учреждение, которое стало родоначальником большого числа научно-исследовательских институтов нашей страны.

В 1921 г. физико-технический отдел Государственного института рентгенологии и рентгенографии выделился в самостоятельный Физико-технический институт, руководителем которого стал А. Ф. Иоффе. А впоследствии из этого института выделились и стали самостоятельными научными учреждениями Украинский физико-технический институт, Уральский физико-технический институт, Институт химической физики и многие другие.

Видные ученые нашей страны И. В. Курчатов, П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, Б. П. Константинов, И. К. Кикоин и многие другие начинали свою научную работу под руководством А. Ф. Иоффе, считают себя его учениками и всегда с большой теплотой и любовью вспоминают о нем.

«Абрам Федорович Иоффе с первых дней революции встал на сторону Советской власти, он стал одним из выдающихся руководителей фронта физического образования и науки. Огромный талант ученого, педагога, организатора, а также доброжелательное отношение к людям, личное обаяние, преданность общественным интересам — все это определило неоценимый вклад А. Ф. Иоффе в развитие советской физики. Многие мои товарищи — физики, как и я сам,— считают и называют академика Иоффе отцом советской науки, и это мнение, я верю, будет общепризнанным в истории советской науки»,— писал академик Б. П. Константинов.

Научная деятельность Иоффе была широка и многообразна. Он был прекрасным экспериментатором, занимался вопросами физики полупроводников, много внимания уделял внедрению результатов научных исследований, принимал участие в разработке военной техники, в частности им был предложен принцип радиолокации для обнаружения неприятельских самолетов, интересовали его и возможности использования достижений науки в сельском хозяйстве.

Большая научная и организаторская деятельность А. Ф. Иоффе получила широкое признание в стране. Он был избран действительным членом Академии наук СССР, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, звание заслуженного деятеля науки СССР, он был удостоен Государственной премии первой степени, награжден двумя орденами Ленина. Многие зарубежные академии и университеты избрали его своим почетным членом.

А. Ф. Иоффе скончался 14 октября 1960 г., не дожив две недели до своего восьмидесятилетия.

Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в семье священника. Детство его прошло в маленьком городке Маквокета. В 1893 г. он поступил в Колумбийский университет, затем учился в Германии.

В 28 лет его пригласили преподавать в Чикагский университет. Вначале он занимался почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.

«Одним из первых в ряду блестящих экспериментаторов, основавших и обосновавших новую физику, следует назвать Роберта Милликена... Характерной чертой исследований Милликена является их совершенно исключительная точность. Милликен во многих случаях повторял опыты, придуманные и даже выполненные другими лицами, но делал их с такой тщательностью и осмотрительностью, что его результаты становились бесспорной и неизбежной базой теоретического построения. Основная заслуга Милликена — измерение величины заряда электрона е и постоянной теории квантов А»,— писал об этом ученом академик С. И. Вавилов.

За свои экспериментальные исследования Р. Милликен в 1924 г. был удостоен Нобелевской премии.

Умер Милликен в 1953 г.

Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?

Вот что пишут о своих опытах А. Ф. Иоффе и Р. Милликен.

А. Ф. Иоффе: «... В камере А создавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в пространство между двумя заряженными пластинками. Заряженная пылинка падает вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на нее действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе. Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на нее падал пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать.

Приходилось подбирать другой заряд пластинок, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И каждый раз мы имели возможность измерить ее заряд...

...Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1... до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что какое бы вещество мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет ли это действие света, или нагревание, или другое воздействие,— всякий раз, как тело теряет заряд, оно всегда теряет по целому электрону. Значит, можно было заключить, что в природе существуют только целые электроны».

Р. Милликен: «...При помощи обыкновенного распылителя в камеру С впускалась струя масла. Воздух, посредством которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку со стеклянной ватой. Капельки масла, составлявшие струю, были весьма малы; радиус большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С, иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстие р в центре круглой латунной пластинки М диаметром в 22 см, состав-лявшей одну из пластин воздушного конденсатора. Другая пластина — N —была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех эбонитовых стоек а. Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая отрицательно) при помощи переключателя 5, соединявшего их с полюсами 10 000-вольтовой аккумуляторной батареи В. Капельки масла, появлявшиеся вблизи р, освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечко О, направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне. Капли, проходившие через отверстие р, оказывались обыкновенно сильно заряженными вследствие трения при вдувании струи...

...Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками. Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там около минуты...

...Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный заряд, возникший на капле вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов, равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из этих капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три, четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто, иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом, наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста пятьюдесятью... Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при счете собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в отсутствии ошибки... Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы можем сосчитать...

...Где бы ни встречался электрический заряд — на изоляторах или на проводниках, в электролитах или металлах,— везде он обладает резко выраженным зернистым строением. Он состоит из целого числа единиц электричества (электронов), которые все одинаковы. В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

 

Суть опыта Резерфорда, как вы знаете, заключалась в следующем. На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.

Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы атомы золота были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?

Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из золотого листка по самым различным направлениям.

На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад.

Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил: «Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеивание могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен, за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».

Электрометр

Электрометр — прибор, позволяющий измерить электрический заряд, впервые был построен русским академиком Г. В. Рихманом, другом М. В. Ломоносова.

Об устройстве этого электрометра Рихман писал: «Указатель «электричества» (рис. 88) представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку длиной около 52 см и массой около 615 г, к которой подводится электрический заряд от электрической машины. К линейке прикрепляется льняная нить длиной около 61 см и массой около 45 мг. Угол отклонения нити фактически позволяет измерить электрическую силу».

Громоотвод

1780 г. Небольшой городок Сент-Оморе во Франции. Один из жителей установил на своем доме громоотвод. Его соседи были так напуганы и возмущены этим фактом, что возбудили судебное дело против владельца громоотвода. Процесс длился около четырех лет и наделал много шума. Интересно отметить, что в качестве защитника на суде выступал М. Робеспьер, в то время еще молодой адвокат. Одним из экспертов со стороны истца был Марат, известный ученый и публицист, а впоследствии выдающийся деятель французской революции. Марат считал громоотвод опасной затеей и был против его установки. После долгой борьбы М. Робеспьер выиграл процесс.