Электростатический очиститель воздуха своими руками. часть 1

Механизм пробоя воздуха

1

ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.

Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.

В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 1014 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 1014 раз, получим шарик радиусом в 10 км

Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*1019 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.

Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд

е=

-1,6*10-19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10-8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона

где ke —

коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*109, если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, чтоq1 = q2 , получаем

. (1)

Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.

Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U.

Следовательно, ели длина промежутка равнаd , то

и измеряется в вольтах на метр (В/м)

В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.

Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой

. (2)

Если это заряд электрона q

, то . Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):

Подставляя в эту формулу е=

-1,6*10-19 Кл,ke = 9*109,r =10-8 см=10-10 м, получим:

/м=1.440.000 кВ /см.

Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.

Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!

Весь секрет в механизме отрывания электрона.

Рассмотри этот природный секрет.

Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.

Как было сказано выше, в 1 см3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.

Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.

1

Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 690; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Механизм пробоя воздуха

1

ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.

Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.

В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 1014 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 1014 раз, получим шарик радиусом в 10 км

Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*1019 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.

Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд

е=

-1,6*10-19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10-8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона

где ke —

коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*109, если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, чтоq1 = q2 , получаем

. (1)

Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.

Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U.

Следовательно, ели длина промежутка равнаd , то

и измеряется в вольтах на метр (В/м)

В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.

Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой

. (2)

Если это заряд электрона q

, то . Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):

Подставляя в эту формулу е=

-1,6*10-19 Кл,ke = 9*109,r =10-8 см=10-10 м, получим:

/м=1.440.000 кВ /см.

Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.

Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!

Весь секрет в механизме отрывания электрона.

Рассмотри этот природный секрет.

Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.

Как было сказано выше, в 1 см3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.

Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.

1

Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 679; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Электрическая прочность диэлектрика

Электрическая прочность диэлектрика является одной из основных характеристик изолирующих материалов. Напряженность электрического поля, при которой электроизолирующий материал может нормально работать, не должна превышать некоторого вполне определенного значения. При некотором значении напряженности происходит нарушение процесса работы диэлектрика, материал его пронизывается искрой, переходящей в дугу. Диэлектрик теряет при этом свои изолирующие свойства, сопротивление его резко уменьшается, и токоведущие части, разделенные ранее изолирующим промежутком, замыкается накоротко. Наступает пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр, соответствующее значение напряженности поля – пробивной напряженностью Eпр или пробивной прочностью (электрической прочностью):

где h – толщина диэлектрика.

Совершенно ясно, что электроизоляционный материал в условиях эксплуатации не должен работать при напряжении, могущем вызвать пробой диэлектрика.

Различают два вида пробоя твердого диэлектрика: электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой объясняется разрушением структуры вещества под действием сил электрического поля. В слабом электрическом поле электрические заряды упруго смещаются, вызывая поляризацию диэлектрика. Если же напряженность поля достигает величины пробивной напряженности, происходит срыв заряженных частиц с первоначальных положений, что приводит к пробою.

Рассмотрим явление теплового пробоя.

Как известно, при работе диэлектрика в переменном электрическом поле выделяется тепло за счет электрических потерь. При отрицательном температурном коэффициенте сопротивления нагрев материала будет сопровождаться уменьшением сопротивления диэлектрика. Это приведет к увеличению тока, проходящего сквозь диэлектрик, и еще более сильному нагреву материала. Таким образом, процесс нагрева все время усиливается до тех пор, пока материал не нагреется настолько, что будет разрушен (расплавлен, обуглен и тому подобное).

Пробой газообразных диэлектриков (воздуха) вызван образованием и движением ионов в газообразной среде при высоких значениях напряженности электрического поля. В некоторый момент быстрое движение ионов в газообразной среде приводит их к столкновению с нейтральными молекулами газа и образованию новых ионов. Это явление сопровождается резким увеличением числа ионов в газе, вследствие чего сопротивление газа уменьшается (ударная ионизация). Наступает пробой газообразного диэлектрика.

В однородном электрическом поле (между двумя остриями, острием и плоскостью, проводами высоковольтных линий и тому подобного), в местах, где напряженность поля достигает критических значений, возникает тихий разряд, сопровождающийся жужжанием или потрескиванием с образованием фиолетового свечения (явление короны). С увеличением напряжения тихий разряд может перейти в искровой, затем в кистевой и, наконец, в дуговой разряд (если мощность источника напряжения велика). Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом (перекрытием). Для увеличения поверхности изоляционных деталей ее делают волнистой.

На пробивную прочность жидких диэлектриков в сильной степени оказывают влияние влага, газы, механические и химические примеси. Пробой жидких диэлектриков возникнет в результате перегрева жидкости и разрушения ее молекул.

Рисунок 1. Ячейка для измерения напряжения пробоя Uпр жидких материалов 1 – сосуд; 2 — электроды

В таблице 1 представлены данные электрической прочности некоторых изоляционных материалов.

Таблица 1

Электрическая прочность материалов

Подготовка к спирометрии и проведение обследования

Подготовка важна для точности результата и возможности использовать его для правильной постановки диагноза, выбора метода лечения. Она должна проводиться после тщательного осмотра врачом, изучения больничной карты. Чтобы минимизировать погрешности в показателях, за сутки до манипуляций необходимо исключить активную физическую нагрузку, интенсивные кардиотренировки, силовые упражнения.

За 2-3 часа до начала процедуры нельзя принимать пищу, курить, пить кофе, чаи, энергетики и другие стимулирующие напитки. В день манипуляций рекомендуют отказаться от приема антигистаминных препаратов и лекарств, расширяющих бронхи, если это невозможно — сделать поправку на результат.

В процедурный кабинет желательно прийти за 20-30 минут, чтобы успокоить дыхание, расслабиться, согреться, если на улице холодно. Одежда рекомендуется свободная, не затрудняющая дыхание — без тугих галстуков и ремней, давящих украшений, деталей, перетягивающих грудную клетку. Перед спирографией пациент 15-20 минут расслабляется в кресле и прослушивает инструктаж.

Обычно обследование проводят сидя, но при плохом самочувствии, слабости, пожилом возрасте человек может лежать. Пациент выравнивает спину, приподнимает подбородок и кладет руки на подлокотники кресла. Далее:

• на нос пациента надевают зажим, чтобы показатели снимались только с ротового дыхания, без лишнего воздуха;
• врач располагает во рту пациента одноразовый загубник-мундштук, который нужно плотно обхватить губами и чуть прижать зубами;
• к загубнику через трубку подсоединяют спирограф и включают прибор;
• пациент некоторое время глубоко дышит, затем выполняет указания врача — вдох-выдох на максимуме, через определенные промежутки и т.д.;
• если нужно манипуляции проводятся повторно, чтобы вывести точное среднее значение.

Обычно все манипуляции отнимают до получаса. После стандартной процедуры врач может провести вторую, с бронхолитиком или провоцирующей пробой, назначить пикфлуометрию — домашнюю проверку с помощью контролирующего портативного спирографа.

Пробой короны

Частичный пробой воздуха происходит в виде коронного разряда на проводниках высокого напряжения в точках с наибольшим электрическим напряжением. Проводники с острыми концами или шарики с малым радиусом склонны к пробою диэлектрика, потому что напряженность поля вокруг точек выше, чем вокруг плоской поверхности. Высоковольтный аппарат имеет закругленные кривые и градуирующие кольца, чтобы избежать концентрированных полей, вызывающих пробой.

Появление

Корона иногда выглядит как голубоватое свечение вокруг высоковольтных проводов и слышится как шипящий звук вдоль высоковольтных линий электропередачи. Corona также генерирует радиочастотный шум, который также можно услышать как «статический» или жужжащий на радиоприемниках. Корона также может возникать естественным образом в виде « огня святого Эльма » на высоких точках, таких как церковные шпили, верхушки деревьев или корабельные мачты во время грозы.

Генерация озона

Генераторы озона с коронным разрядом используются в процессе очистки воды более 30 лет . Озон — токсичный газ, даже более мощный, чем хлор. На типичной установке по очистке питьевой воды газообразный озон растворяется в фильтрованной воде для уничтожения бактерий и вирусов . Озон также удаляет из воды неприятный запах и привкус. Основное преимущество озона заключается в том, что при любой остаточной передозировке он разлагается до газообразного кислорода задолго до того, как вода достигнет потребителя. Это контрастирует с газообразным хлором или солями хлора, которые дольше остаются в воде и могут ощущаться потребителем.

Другое использование

Хотя коронный разряд обычно нежелателен, до недавнего времени он был незаменим при работе копировальных аппаратов ( ксерография ) и лазерных принтеров . Многие современные копиры и лазерные принтеры теперь заряжают фотобарабан с помощью электропроводящего ролика, что снижает нежелательное загрязнение озоном в помещении .

Громоотводы используют коронный разряд для создания проводящих путей в воздухе, которые указывают на стержень, отклоняя потенциально опасные молнии от зданий и других сооружений.

Коронный разряд также используется для изменения поверхностных свойств многих полимеров . Примером может служить обработка пластиковых материалов коронным разрядом, которая позволяет краске или чернилам правильно прилипать.

Напряжение пробоя воздуха.

Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.

Замечательный он потому, что, во-первых, от этой ошибки никто не пострадал. Во-вторых, пример очень простой, но показательный — в нем есть полный набор: ошибка в постановке задачи, неправильный выбор модели процесса, расчет и проведение измерений в соответствии с ней. Выставка «Связь-Экпокомм», год примерно 2005 … Мы привезли с собой прибор «Искра» ( история разработкитехническое описание ). На соседнем стенде среди антенн, разветвителей и антенных фильтров – коаксиальный «грозоразрядник», напряжение срабатывания по паспорту — 400 Вольт. «А давайте проверим нашим прибором» — «да проверяйте, конечно». «Грозоразрядник» не пробивается ни на 400 Вольтах, ни на 800 (предел измерения). «Прибор у вас неправильный, у нас точно всё посчитано». Выясняется, что внутри «грозоразрядника» между центральным проводником и корпусом сделан искровой промежуток 0,2 мм и выставлен он «прецизионно».

Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.

Коллеги исходили из значения электрической прочности (напряжения пробоя) сухого воздуха, которая составляет примерно 2 кВ/мм (см. например, инженерный справочник DVPA

). Следовательно, для того, чтобы получить напряжение пробоя 0,4 кВ, расстояние между электродами должно быть 0,2 мм.

Давайте посмотрим, что есть на эту тему в сети. На первой же странице поиска нашёл два подходящих графика.

Как видим шкала в обеих измерениях линейная и порядок напряжения пробоя действительно составляет порядка 2 кВ/мм, обратите внимание на зависимость его значения от частоты. Понятно, что эти графики относятся к технике высоких напряжениях и высоковольтным электроустановкам (электрические машины, трансформаторы, высоковольтные ЛЭП)

Нас же интересуют гораздо меньшие напряжения и масштабы.

Показания и противопоказания

Чаще всего спирографию назначают при жалобах пациента на одышку и кашель, другие отклонения от нормального дыхания. На обследование направляют и при выявлении нарушений в газообмене по результатам анализа крови — если содержание кислорода или СО2 в ней выходит за допустимые значения. Также проверку назначают при аллергическом рините, рестриктивной дыхательной недостаточности, обструктивных патологиях, связанных с легочными, бронхиальными заболеваниями — ларингитом, астмой, опухолями.

Как подготовительное мероприятие спирометрия информативна перед бронхоскопией, обследованиями для диагностики характера легочной патологии, определения вентиляционной способности легких. Ее регулярно назначают пациентам из группы риска, людям со склонностью к сезонным аллергиям. Также исследование проводят для оценки общего состояния здоровья.

У неинвазивного обследования немного противопоказаний и ограничений. Исключена спирография для пациентов, у которых выявлены:

• инфаркт — спирометрию откладывают минимум на три месяца;
• аневризма, расслоение аорты;
• гипертонический криз, неконтролируемая артериальная гипертензия;
• легочное кровотечение;
• пневмоторакс, существенная недостаточность ножных венозных клапанов, инсульт и другие заболевания.

Обследование откладывают, если пациент за последнее время перенес операцию. При офтальмологическом или внутриполостном характере нужно подождать около шести недель, при вмешательствах на грудной клетке — не менее месяца.

Похожие записи:

Применение импульсных реле для управления освещением Разновидности и правила установки соединительных муфт для кабеля ? семисегментный индикатор ардуино Вес одной люминесцентной лампы 36 вт. особенности и характеристики распространенных типов ртутных ламп Виды батареек и их основные характеристики Как заменить лампы задних габаритов на ваз 2114