Статическое электричество

Ах, какие это были эффектные и увлекательные опыты! Как восхитительно вскрикивали и бледнели дамы, когда преисполненные важности ученые демонстраторы извлекали из разряженных кавалеров длинные голубовато-фиолетовые искры, когда простым поднесением руки они воспламеняли спирт и горстки пороха, когда несколько десятков кавалеров, взявшихся за руки, получали ошеломляющий удар, стоило только двум крайним прикоснуться к внешне безобидной стеклянной банке...

Все эти поразительные эффекты вызывались до смешного простыми средствами: стеклянной палочкой, натертой сухим мехом, вращающимися стеклянными шарами и цилиндрами, трущимися о ладони человека, изолированного от пола.

Всеобщее увлечение электричеством от трения во второй половине XVIII века можно сравнить лишь с энтузиазмом, за сто лет до этого вызванным открытием атмосферного давления. Даже самые трезвые ученые поддались всеобщему опьянению. Как некогда пытались свести все к действию атмосферного давления, так теперь ухитрялись проявление электричества увидеть и во вращении планет вокруг Солнца, и в возникновении землетрясении, и в течении многих болезней. Не случайно 1750 — 1780-е годы вошли в историю физики как «период электричества от трения».

Конец этому периоду положило «создание прибора, который по своим действиям сходен с лейденской банкой... но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой». Так в 1799 году А. Вольта описывал свою электрическую батарею — великое изобретение, резко изменившее весь ход электрических исследований.

Вольтов столб, давший возможность получать сравнительно большие токи при невысоких напряжениях, сосредоточил внимание ученых на магнитных, механических и тепловых действиях электрического тока, которые к концу XIX века уже лежали в основе всей электротехники. Но лишь в XX веке начал возрождаться интерес к некогда заброшенному «электричеству от трения». И причиной этого возрождения стало важное изобретение, сделанное на рубеже столетий, — коронный разряд ...

Поистине «коронный» разряд

Промышленный опыт прошлого столетия свидетельствовал главным образом об отрицательных действиях «электричества от трения». Сами того не подозревая, инженеры строили электростатические генераторы огромных размеров и, увы, достаточно высокой эффективности. Мы говорим: «увы», поскольку их эффективность подтверждалась сильнейшими взрывами на пороховых заводах, мукомольных мельницах и сахарных фабриках.

Оказывается, невозможно транспортировать сахар, муку и вообще любой сухой порошок по трубам или транспортерам без того, чтобы они не накапливали в себе электрический заряд. Кожаные и прорезиненные ремни на вращающихся шкивах тоже наэлектризовываются до весьма высокого напряжения. Бумага, ткани, резиновые шнуры и ленты — и они сильно электризуются в процессе обработки. А если в воздухе висит мелкая горючая пыль — скажем, мука или сахарная пудра, — то проскочившая от наэлектризованного тела искра может вызвать взрыв.

XX век неимоверно расширил сферу вредного проявления электростатического электричества. Бесчисленные пластмассы, искусственные и синтетические волокна, лаки и краски, нефть, нефтепродукты и другие электризующиеся жидкости — вот далеко не полный перечень.

Электризуются самолеты во время полета. Электризуется нефть во время перекачки по трубопроводам, электризуется даже пар в процессе испарения и движения по трубам. Поэтому и в нашем веке внимание специалистов поначалу было направлено главным образом на то, чтобы снизить эффективность нечаянных электростатических генераторов, избавиться от электризации и ее неприятных последствий. И в дополнение к увлажнению обрабатываемых материалов и появляются методы ионизации воздуха — радиоактивные изотопы и коронный разряд ...

Если к двум пластинам, разделенным сантиметровым промежутком, приложить напряжение, превышающее 30 тыс. в, происходит пробой — проскакивает искра, воздух перестает быть изолятором и становится проводником. А что произойдет, если приложить отрицательное напряжение в 100 тыс. в к проводу, проходящему в центре заземленного цилиндра радиусом 10 см?

На первый взгляд ничего не должно произойти: ведь на каждый сантиметр пространства, разделяющего провод и цилиндр, приходится не 30 тыс. в, необходимых для пробоя, а всего лишь 10 тыс.

Так оно и было бы, если бы речь шла о параллельных пластинах, создающих однородное электрическое поле в зазоре. Тонкий же провод в цилиндре создает неоднородное поле, около стенок цилиндра оно слабее, а в зоне, примыкающей к проводу, на 1 см может приходиться напряжение больше 30 тыс. в.

Электроны, вырывающиеся при этом с поверхности провода, внедряются в молекулы кислорода и превращают их в отрицательно заряженные ионы, устремляющиеся к стенкам цилиндра под действием электрического поля. В этот-то момент вокруг провода и возникает зеленоватое свечение — коронный разряд. Делая воздух электропроводным, такой разряд снимает заряд с наэлектризовавшихся веществ.

Для этого он и применялся поначалу. Но потом оказалось, что в подобном явлении таился ключ к широкому промышленному применению статического электричества.

В 1905 году английский изобретатель Ф. Коттрелл стал пропускать сквозь трубу с коронным разрядом газ, загрязненный частицами сажи и золы. Получающиеся в разряде ионы «налипали» на твердые частицы и сообщали им большой отрицательный заряд, после чего такие частицы быстро отбрасывались электрическим полем на стенки заземленной трубы, из которой в результате выходил очищенный газ.

Коронный разряд, позволивший сообщать диэлектрическим телам заряды, во много раз большие тех, которые можно было сообщить им за счет трения, придал промышленное значение статическому электричеству. Опыты, прежде служившие для развлечения, легли в основу важных технических устройств и процессов. Появились установки для разделения всевозможных сыпучих смесей с помощью электростатики. Она стала широко применяться в технологических процессах полиграфии, обработки бумаги и пленок.

В электростатическом поле производится окраска, нанесение абразивных частиц, сухих порошков и даже коротких волокон на всякого рода подложки. Электростатическое поле и коронный разряд — главные участники ксерографического процесса для быстрого воспроизведения текстов и методов бесконтактной печати.

Так входит в промышленность и в жизнь «электричество от трения», которым увлекались во второй половине XVIII века и которым мало занимались на протяжении последующих 150 лет. И в этом быстро растущем практическом применении электростатики секрет повышенного интереса к электростатическим генераторам, необходимым для приведения в действие всех этих важных технологических процессов.

Генератор на лезвии бритвы

То, что статическое электричество долго не находило полезного практического применения, любопытным образом отразилось на судьбе электростатических генераторов. В то время как электромагнитные устройства и приборы быстро покидали стены лабораторий и, обретая «машинный» облик, утверждались на телеграфах, заводах и электростанциях, электростатические устройства прозябали на полках учебных кабинетов.

Конечно, нельзя сказать, чтобы они совсем не совершенствовались: между лейденской банкой, заряжаемой натертой мехом стеклянной палочкой, и всем знакомой школьной электрофорной машиной дистанция огромного размера. Но ни стеклянной палочки и меха, ни электрофорной машины не сыскать нигде, кроме учебных физических кабинетов: источники статического электричества почти полтора столетия совершенствовались не как промышленные аппараты, а как демонстрационные приборы.

Так, на смену машинам, в которых стеклянные шары, цилиндры и диски электризовались трением о шерсть или кожаные подушки, пришли так называемые «индукционные» машины. В основе их действия лежало явление, открытое Вольта и не имеющее никакого отношения к той «индукции», которая составила славу Фарадея.

Вольта заметил, что если, например, к положительно заряженной пластине близко, но не до соприкосновения поднести металлический диск, изолированный от земли, то на его поверхности, обращенной к заряженной пластинке, соберутся отрицательные заряды. Заряды же положительные, стремясь удалиться от одноименных зарядов пластины, соберутся на внешней стороне.

Если ненадолго заземлить эту внешнюю сторону, положительные заряды уйдут в землю, и диск, даже выведенный из поля пластины, окажется заряженным отрицательно. Разрядив его на лейденскую банку, можно снова и снова повторять всю эту операцию, во время которой первоначально сообщенный пластине заряд сам не расходуется, но непрерывно «индуцирует» — наводит — заряд в металлическом диске.

Первая машина, в которой все эти операции выполнялись авгоматически, была сооружена в 1831 году итальянцем Белли. Потом ее усовершенствовали немецкие физики Теплер и Гольц, и, наконец, в 1870-х годах появилась индукционная электрофорная машина Уимшерста, украшающая ныне школьные физические кабинеты.

Изучение электрического разряда в разреженных газах дало первый толчок совершенствованию электростатических генераторов, и оказалось максимум, что можно было выжать из многодисковых машин, это 300 тыс. в и 1,2 квт.

Изучение атомного ядра, потребовавшее еще больших напряжений, привело к появлению новых конструкций. В сущности, генераторы Ван де Граафа и Феличи, созданные соответственно в 1930-х и 1940-х годах, принципиально не отличались друг от друга. Сердцем каждого из них был огромный полый металлический шар, надежно изолированный от земли, на внутреннюю поверхность которого непрерывно подводился электрический заряд. Только Ван де Грааф для подвода заряда использовал ленту на двух вращающихся шкивах, а Феличи — быстро вращающийся пластмассовый цилиндр.

Первый генератор Ван де Граафа, с лентой, электризуемой путем индукции, был пущен в 1936 году и при мощности 6 квт дал напряжение 5 млн. в. Позднее для электризации лент и цилиндров стали применять коронный разряд, и к 1950-м годам в распоряжении ученых находились генераторы двух типов.

Генераторы Ван де Граафа давали высокие напряжения — до 10—15 млн. в — при малых токах до 1000 ца, а генераторы Феличи, наоборот, давали сравнительно большие токи — до 10 тыс. ца — при меньших напряжениях, до 1 млн. в. Но какой дорогой ценой достаются эти характеристики!

Во-первых, размеры. Генератор мощностью в несколько десятков киловатт представляет собой сооружение высотой 5—10 м. Во-вторых, вблизи сферического электрода, на котором накапливается заряд, тоже возникает «корона». Для ее подавления приходится помещать всю установку в герметичный стальной кожух, наполненный газом под высоким давлением. Так, генераторы Ван де Граафа наполняются смесью азота и углекислоты под давлением 30 атм, а генераторы Феличи — водородом под давлением 25 атм. В-третьих, сравнительно быстрый износ лент и цилиндров приводит к загрязнению внутренних полостей генератора пылью

Не очень существенные, когда речь идет об уникальных генераторах для научных исследований, эти недостатки становятся нетерпимыми для промышленных генераторов, которые должны надежно работать в течение длительного времени. Вот почему в последние годы электротехники все больше и больше внимания уделяют разработке более дешевых, надежных, мощных и компактных генераторов, прежде всего электрогидродинамических.

Действительно, движущуюся заряженную ленту или вращающийся цилиндр можно заменить потоком заряженной диэлектрической жидкости. Неся заряд во всем своем объеме, такой поток должен создавать гораздо больший ток, чем лента или цилиндр, в которых заряд расположен лишь на поверхности.

Главной трудностью при создании электростатического генератора, работающего на потоке углеводорода — гексана, оказалось сообщение электрического заряда жидкости. Поскольку обычные методы электризации — коронный разряд и радиоактивное излучение — вызывали нежелательное изменение свойств гексана, исследователям пришлось искать что-нибудь получше.

Опытный образец устройства, послужившего основой для дальнейших разработок, представлял собой трубу, в которую был вставлен катод — набор тонких стальных лезвий. К остриям лезвий с небольшим зазором примыкал анод-сетка, за которой располагался коллектор генератора.

Когда насос начинал прокачивать через трубку гексан, к лезвиям и к сетке прикладывалось высокое напряжение, под действием которого электроны стекали с лезвий в толщу движущейся жидкости и сообщали ей заряд, исчисляемый сотнями микроампер. Часть этих зарядов тут же оседала на положительно заряженной сетке, а остаток потоком жидкости проносился сквозь нее к коллектору, на котором и происходило накопление заряда.

Основным недостатком такой схемы была непроизводительная нейтрализация «впрыснутых» в жидкость зарядов на сетке. Поэтому в следующей конструкции острия лезвий были расположены по стенкам трубы вдоль потока жидкости, а сетка была свернута в трубочку и помещена вдоль оси трубы. Теперь отрицательные заряды, стекавшие с лезвий, не успевали нейтрализоваться — поток уносил их к коллектору быстрее, чем они могли достичь сетки.

При испытании первой опытной модели электрогидродинамического генератора, созданной в Англии, обнаружилась любопытная вещь. По мере того, как заряд накапливается на коллекторе, его электрическое поле все сильнее и сильнее сопротивляется притоку новых зарядов. Потом наступает момент, когда заряды вовсе перестают достигать коллектора и начинают скапливаться на выходе из инжектора. А поскольку одноименные заряды отталкиваются друг от друга, они начинают двигаться к стенкам трубы и в конце концов разрывают ее.

Именно опасность механического разрушения ограничила максимальное напряжение опытной модели 400 тыс. в. Зато следующая модель, в конструкцию которой были внесены соответствующие изменения, позволила создавать максимальное напряжение в 2 млн. в. Насос этого электрогидродинамического генератора приводился в действие мотором в 10 л. с, а скорость потока в рабочей части составляла 5 м/сек.

По мнению специалистов, в настоящее время уже накоплен опыт, достаточный для того, чтобы приступить к созданию первых промышленных электрогидродинамических генераторов.

Пылеэлектрический генератор

В 1936 году известный советский историк техники В. Данилевский в статье «История техники как один из факторов технического прогресса» настойчиво обращал внимание специалистов на удивительную пароэлектрическую машину Армстронга. «Сейчас, — писал он, — необходимо изучение принципа машины Армстронга советскими электротехниками с целью установить возможность нового оформления этого же принципа...»

По описаниям удалось установить, что эта машина давала максимальное напряжение в несколько сот тысяч вольт и была, несомненно, самой мощной электрической машиной своего времени. Но расчеты дали также ответ и на вопрос, почему столь любопытная и эффектная идея была предана забвению: к.п.д. машины составлял всего 0,01%! Ничтожность этой цифры надолго отбила у электротехников желание заниматься пароэлектрическими машинами.

Лишь в 1930-х годах, по-видимому, под впечатлением успешной работы электростатических очистителей дыма специалисты снова вернулись к этой идее. Действительно, электростатический очиститель нетрудно превратить в электростатический генератор. Для этого нужно лишь обратить его: с помощью воздушной струи прогонять заряженные в коронном разряде пылинки сквозь электрод-коллектор. В 1930-х годах французские и бельгийские электротехники построили такой «пылеэлектрический» генератор. Война прервала эти работы, и они возобновились лишь 30 лет спустя.

Ученые обратили внимание на то, что в таких установках заряженные твердые частицы транспортируются газом. Изменения, претерпеваемые им, могут быть описаны с помощью давно и хорошо изученных термодинамических циклов. Так родилась идея электрогазодинамического генератора для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Основной элемент такого генератора — «турбина» — канал, в котором газ расширяется и совершает работу над заряженными частицами, заставляя их преодолевать сопротивление электрического поля и двигаться к электроду с высоким потенциалом. Тот же самый элемент, к которому электричество подводится и, заставляя заряженные частицы ускоряться, сжимает газ, становится «компрессором». Компонуя турбину и компрессор с нагревателями и охладителями, можно получить электрические подобия широко известных тепловых двигателей — дизелей, газовых турбин, двигателей Стирлинга, Эриксона и т. д.

В настоящее время нет ни одного электрогазодинамического генератора, работающего по какому-либо из этих циклов. Пока идет отработка лишь одного элемента — турбины. Существующие опытные образцы таких турбин еще очень несовершенны. Их к.п.д. не превышает 15—20%, в то время как к.п.д. современных паровых и газовых турбин достигает 90—95%. Однако термодинамика подсказывает пути повышения к.п.д. электрогазодинамических турбин: их, как паровые и газовые, надо делать многоступенчатыми.

Правда, на первый взгляд сравнение получается не в пользу новинки. Там, где газовой турбине достаточно лишь 10—20 ступеней, электрогазодинамической нужно около 200! Но следует ясно представлять, насколько эти ступени проще — в сущности, каждая из них не более чем участок трубопровода.

Предварительные исследования показали: канал диаметром 50 мм с 200 турбинными и 200 компрессорными ступенями развивает мощность в 50 квт. Для того чтобы получить, к примеру, мощность в 50 тыс. квт, надо 1000 таких каналов соединить параллельно.

Большое влияние на к.п.д. электрогазодинамических турбин и компрессоров оказывают также скорость движения пылегазовой смеси, размер пылевых частиц, давление и т. д. Если в результате учета всех этих мер к.п.д. таких устройств будет доведен до 80—90%, то общий термический к.п.д. электрогазодинамической установки, работающей по циклу Эриксона, станет равным 46— 56%. То есть сопоставимым с к.п.д. современных электростанций...

 

На схеме:

Электростатический генератор с резиновой лентой. А — электростатическая индукция. A1 — схема генератора Ван де Граафа: 1 — электрод высокого напряжения; 2 — электрод-коллектор; 3 — движущаяся лента; 4 — изолятор; 5 — заряжающая система с коронным разрядом.

Электростатический генератор с диэлектрической жидкостью. Б — схема сообщения электрического заряда жидкости: 1 — лезвие — катод; 2 — сетка — анод; 3 — отрицательно заряженные ионы; 4 — направление потока жидкости. Б1 — схема жидкостного генератора: 1 — инжектор; 2 — конфузор коллектора; 3 — коллектор.

Электростатический генератор с пылегазовым рабочим телом. В — пароэлектрическая машина Армстронга: 1 — поток пара; 2 — деревянный цилиндр с отверстиями; 3 — коллектор; 4 — электрод. B1 — схема одноступенчатого и многоступенчатого электрогазодинамического генераторов: 1 — электрод высокого напряжения; 2 — коллектор: 3 — зона преобразования; 4 — инжектор с коронным разрядом; 5 — нейтрализатор заряда; 6 — вентилятор.

По материалам журнала "Наука и техника"