Подробнее об электрическом заряде

Как ни удивительно, но мы сталкиваемся со статическим электричеством ежедневно — когда гладим любимую кошку, расчесываем волосы или натягиваем свитер из синтетики. Так мы сами поневоле становимся генераторами статического электричества. Мы буквально купаемся в нём, ведь мы живем в сильном электростатическом поле Земли. Это поле возникает из-за того, что её окружает ионосфера, верхний слой атмосферы — электропроводящий слой. Ионосфера образовалась под действием космического излучения и имеет свой заряд. Занимаясь обыденными делами вроде разогрева пищи, мы совершенно не задумываемся о том, что пользуемся статическим электричеством, повернув кран подачи газа на горелке с автоподжигом или поднеся к ней электрозажигалку.

Примеры статического электричества

Мы с детства инстинктивно боимся грома, хотя сам по себе он абсолютно безопасен — просто акустическое следствие грозного удара молнии, которая и вызвана атмосферным статическим электричеством. Моряки времён парусного флота впадали в священный трепет, наблюдая огоньки святого Эльма на своих мачтах, которые тоже являются проявлением атмосферного статического электричества. Люди наделяли верховных богов древних религий неотъемлемым атрибутом в виде молний, будь то греческий Зевс, римский Юпитер, скандинавский Тор или Перун русичей.

С тех пор, как люди впервые начали интересоваться электричеством, прошли века, и мы даже порой не подозреваем, что учёные, сделав из изучения статического электричества глубокомысленные выводы, спасают нас от ужасов пожаров и взрывов. Мы укротили электростатику, нацелив в небо пики громоотводов и снабдив бензовозы заземляющими устройствами, позволяющими электростатическим зарядам безопасно уходить в землю. И, тем не менее, статическое электричество продолжает хулиганить, создавая помехи приёму радиосигналов — ведь на Земле одновременно бушует до 2000 гроз, которые ежесекундно генерируют до 50 разрядов молний.

Исследованием статического электричества люди занимались с незапамятных времён; даже термину «электрон» мы обязаны древним грекам, хотя они подразумевали под этим несколько иное — так они называли янтарь, который прекрасно электризовался при трении (др. – греч. ἤλεκτρον — янтарь). К сожалению, наука о статическом электричестве не обошлась без жертв — российский учёный Георг Вильгельм Рихман во время проведения эксперимента был убит разрядом молнии, которая является наиболее грозным проявлением атмосферного статического электричества.

Статическое электричество и погода

В первом приближении, механизм образования зарядов грозового облака во многом сходен с механизмом электризации расчёски — в нём точно так же происходит электризация трением. Льдинки, образуясь из мелких капелек воды, охлаждённой из-за переноса восходящими потоками воздуха в верхнюю, более холодную, часть облака, сталкиваются между собой. Более крупные льдинки заряжаются при этом отрицательно, а меньшие — положительно. Из-за разницы в весе происходит перераспределение льдинок в облаке: крупные, более тяжёлые, опускаются в нижнюю часть облака, а более лёгкие льдинки меньшего размера собираются в верхней части грозового облака. Хотя всё облако в целом остаётся нейтральным, нижняя часть облака получает отрицательный заряд, а верхняя — положительный.

Подобно наэлектризованной расческе, притягивающей воздушный шарик из-за индуцирования на его ближней к расческе стороне противоположного заряда, грозовое облако индуцирует на поверхности Земли положительный заряд. По мере развития грозового облака, заряды увеличиваются, при этом растёт напряжённость поля между ними, и, когда напряжённость поля превысит критическое значение для данных погодных условий, происходит электрический пробой воздуха — разряд молнии.

Человечество обязано Бенджамину Франклину — впоследствии президенту Высшего исполнительного совета Пенсильвании и первому Генеральному почтмейстеру США — за изобретение громоотвода (точнее было бы назвать его молниеотводом), навсегда избавившего население Земли от пожаров, вызываемых попаданием молний в здания. Кстати, Франклин не стал патентовать своё изобретение, сделав его доступным для всего человечества.

Не всегда молнии несли только разрушения — уральские рудознатцы определяли расположение железных и медных руд именно по частоте ударов молний в определённые точки местности.

В числе учёных, посвятивших своё время исследованию явлений электростатики, необходимо упомянуть англичанина Майкла Фарадея, впоследствии одного из основателей электродинамики, и голландца Питера ван Мушенбрука, изобретателя прототипа электрического конденсатора — знаменитой лейденской банки.

Наблюдая за гонками DTM, IndyCar или Formula 1, мы даже не подозреваем, что механики зазывают пилотов для смены резины на дождевую, опираясь на данные метеорологических РЛС. А эти данные, в свою очередь, основаны именно на электрических характеристиках подступающих грозовых облаков.

Статическое электричество — наш друг и враг одновременно: его недолюбливают радиоинженеры, натягивая заземляющие браслеты при ремонте сгоревших плат в результате удара поблизости молнии — при этом, как правило, выходят из строя входные каскады оборудования. При неисправном заземляющем оборудовании оно может стать причиной тяжёлых техногенных катастроф с трагическими последствиями — пожаров и взрывов целых заводов.

Статическое электричество в медицине

Тем не менее, оно приходит на помощь людям при нарушениях сердечного ритма, вызванных хаотическими судорожными сокращениями сердца больного. Его нормальная работа восстанавливается пропусканием небольшого электростатического разряда при помощи прибора, называемого дефибриллятором. Сцена возвращения пациента с того света с помощью дефибриллятора является своего рода классикой для кино определённого жанра. При этом следует отметить, что в кино традиционно показывают монитор с отсутствующим сигналом сердцебиения и зловещей прямой линией, хотя на самом деле применение дефибриллятора не помогает, если сердце пациента остановилось.

Разрядники на крыле самолета Boeing 738-800 предназначены для снятия статического электричества для обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.

Другие примеры

Нелишне будет вспомнить о необходимости металлизации самолетов для защиты от статического электричества, то есть, соединения всех металлических частей самолета, включая двигатель, в одну электрически целостную конструкцию. На законцовках всего оперения самолета устанавливают статические разрядники для стекания статического электричества, накапливающегося во время полета вследствие трения воздуха о корпус самолета. Эти меры необходимы для защиты от помех, возникающих при разряде статического электричества, и обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.

Электростатика играет определённую роль в знакомстве учеников с разделом «Электричество» — более эффектных опытов, пожалуй, не знает ни один из разделов физики — тут тебе и волосы, вставшие дыбом, и погоня воздушного шарика за расческой, и таинственное свечение люминесцентных ламп безо всякого подключения проводов! А ведь этот эффект свечения газонаполненных приборов спасает жизни электромонтёрам, имеющих дело с высоким напряжением в современных линиях электропередач и распределительных сетях.

И самое главное, учёные пришли к выводу, что статическому электричеству, точнее его разрядам в виде молний, мы, вероятно, обязаны появлению жизни на Земле. В ходе экспериментов в середине прошлого века, с пропусканием электрических разрядов через смесь газов, близкую по составу к первичному составу атмосферы Земли, была получена одна из аминокислот, которая является «кирпичиком» нашей жизни.

Источники бесперебойного питания (ИБП) используются для защиты оборудования от провалов напряжения, пропадания электропитания и импульсов высокого напряжения в промышленной электросети, которые могут возникать во время непрямых ударов молний

Для укрощения электростатики очень важно знать разность потенциалов или электрическое напряжение, для измерения которого придуманы приборы, называемые вольтметрами. Ввел понятие электрического напряжения итальянский учёный 19-го века Алессандро Вольта, по имени которого и названа эта единица. В своё время для измерения электростатического напряжения использовались гальванометры, названные по имени соотечественника Вольта Луиджи Гальвани. К сожалению, эти приборы электродинамического типа вносили искажения в измерения.

Изучение статического электричества

К систематическому изучению природы электростатики учёные приступили со времён работ французского учёного 18-го века Шарля Огюстена де Кулона. В частности, он ввёл понятие электрического заряда и открыл закон взаимодействия зарядов. По его имени названа единица измерения количества электричества — кулон (Кл). Правда, ради исторической справедливости, надо заметить, что годами ранее этим занимался английский учёный лорд Генри Кавендиш; к сожалению, он писал в стол и его работы были опубликованы наследниками лишь спустя 100 лет.

Работы предшественников, посвященные законам электрических взаимодействий, дали возможность физикам Джорджу Грину, Карлу Фридриху Гауссу и Симеону Дени Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию, которой мы пользуемся до сих пор. Главным принципом в электростатике является постулат об электроне — элементарной частице, входящей в состав любого атома и легко отделяющейся от него под воздействием внешних сил. Помимо этого, действуют постулаты об отталкивании одноимённых зарядов и притягивании разноимённых.

Измерение электричества

Одним из первых измерительных приборов явился простейший электроскоп, изобретённый английским священником и физиком Абрахамом Беннетом — два листочка золотой электропроводной фольги, помещённые в стеклянную ёмкость. С тех пор измерительные приборы значительно эволюционировали — и теперь они могут измерять разницу в единицы нанокулон. С помощью особо точных физических инструментов, российский учёный Абрам Иоффе и американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумели измерить электрический заряд электрона

Ныне, с развитием цифровых технологий, появились сверхчувствительные и высокоточные приборы с уникальными характеристиками, которые, благодаря высокому входному сопротивлению, почти не вносят искажений в измерения. Помимо измерения напряжения такие приборы позволяют измерять и другие важные характеристики электрический цепей, таких, как омическое сопротивление и протекающий ток в широком диапазоне измерений. Самые продвинутые приборы, называемые из-за их многофункциональности мультиметрами, или, на профессиональном жаргоне, тестерами, позволяют измерять также и частоту переменного тока, емкость конденсаторов и осуществлять проверку транзисторов и даже измерять температуру.

Как правило, современные приборы имеют встроенную защиту, не позволяющую вывести прибор из строя при неправильном применении. Они компактны, просты в обращении и абсолютно безопасны в работе — каждый из них проходит через ряд испытаний на точность, проверяется в тяжёлых режимах работы и заслужено получает сертификат безопасности.

Конвертер величин

Перевести одиниці: кулон на вольт [Кл/В] в мікрофарад [мкФ]

Specific Fuel Consumption

Детальніше про електричну ємність

Загальні відомості

Електрична ємність — це величина, що характеризує здатність провідника накопичувати заряд, що дорівнює відношенню електричного заряду до різниці потенціалів між провідниками:

Тут Q — електричний заряд, вимірюється в кулонах (Кл), ∆φ — різниця потенціалів, вимірюється в вольтах (В).

В системі СІ електроємність вимірюється в фарадах (Ф). Дана одиниця виміру названа на честь англійського фізика Майкла Фарадея.

Фарад є дуже великою ємністю для ізольованого провідника. Так, металева відокремлена куля радіусом в 13 радіусів Сонця мала би ємність рівну 1 фарад. А ємність металевої кулі розміром з Землю була б приблизно 710 мікрофарад (мкФ).

Так як 1 фарад — дуже велика ємність, тому використовуються менші значення, такі як: мікрофарад (мкФ), що дорівнює одній мільйонній фарада; нанофарад (нФ), що дорівнює одній мільярдної; кілофарад (пФ), що дорівнює одній трильйонної фарада.

В системі СГСЕ основною одиницею ємності є сантиметр (см). 1 сантиметр ємності — це електрична ємність кулі з радіусом 1 сантиметр, поміщеного в вакуум. СГСЕ — це розширена система СГС для електродинаміки, тобто, система одиниць в якій сантиметр, грам, і секунда прийняті за базові одиниці для обчислення довжини, маси і часу відповідно. В розширених СГС, включаючи СГСЕ, деякі фізичні константи прийняті за одиницю, щоб спростити формули і полегшити обчислення.

Використання ємності

Конденсатори — пристрої для накопичення заряду в електронному обладнанні

Поняття електричної ємності відноситься не тільки до провідника, а й до конденсатору. Конденсатор — система двох провідників, розділених діелектриком або вакуумом. У найпростішому варіанті конструкція конденсатора складається з двох електродів у вигляді пластин (обкладок). Конденсатор (від лат. condensare — «ущільнювати», «згущувати») — двоелектродний прилад для накопичення заряду і енергії електромагнітного поля, в найпростішому випадку являє собою два провідники, розділені будь-яким ізолятором. Наприклад, іноді радіоаматори при відсутності готових деталей виготовляють конденсатори для своїх схем з відрізків дротів різного діаметру, ізольованих лаковим покриттям, при цьому більш тонкий дріт намотується на більш товстий. Регулюючи число витків, радіоаматори точно налаштовують контуру апаратури на потрібну частоту. Приклади зображення конденсаторів на електричних схемах наведені на малюнку.

Історична довідка

Ще 275 років тому були відомі принципи створення конденсаторів. Так, в 1745 р в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст і нідерландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор — «лейденську банку» — в ній діелектриком були стінки скляної банки, а обкладинками служили вода в посудині і долоня експериментатора, що тримала посудину. Така «банка» дозволяла накопичувати заряд порядку мікрокулона (мкКл). Після того, як її винайшли, з нею часто проводили експерименти і публічні уявлення. Для цього банку спочатку заряджали статичною електрикою, натираючи її. Після цього один з учасників торкався до банку рукою, і отримував невеликий удар струмом. Відомо, що 700 паризьких ченців, взявшись за руки, провели лейденський експеримент. У той момент, коли перший монах доторкнувся до голівки банки, все 700 ченців, зведені однією судомою, з жахом скрикнули.

До Росії «лейденська банка» прийшла завдяки російському царю Петру I, який познайомився з Мушенбруком під час подорожей по Європі, і докладніше дізнався про експерименти з «лейденської банкою». Петро I заснував в Росії Академію наук, і замовив Мушенбруку різноманітні прилади для Академії наук.

Надалі конденсатори вдосконалилися і ставали менше, а їх ємність — більше. Конденсатори широко застосовуються в електроніці. Наприклад, конденсатор і котушка індуктивності утворюють коливальний контур, який може бути використаний для настройки приймача на потрібну частоту.

Існує кілька типів конденсаторів, що відрізняються постійною або змінною ємністю і матеріалом діелектрика.

Приклади конденсаторів

Промисловість випускає велику кількість типів конденсаторів різного призначення, але головними їх характеристиками є ємність і робоча напруга.

Типові значення ємності конденсаторів змінюються від одиниць пікофарад до сотень мікрофарад, виняток становлять іоністори, які мають дещо інший характер формування ємності — за рахунок подвійного шару у електродів — в цьому вони подібні до електрохімічним акумуляторів. Суперконденсатори на основі нанотрубок мають надзвичайно розвинену поверхню електродів. У цих типів конденсаторів типові значення ємності складають десятки фарад, і в деяких випадках вони здатні замінити в якості джерел струму традиційні електрохімічні акумулятори.

Другим за важливістю параметром конденсаторів є його робоча напруга. Перевищення цього параметра може призвести до виходу конденсатора з ладу, тому при побудові реальних схем прийнято застосовувати конденсатори з подвоєним значенням робочої напруги.

Для збільшення значень ємності або робочої напруги використовують прийом об’єднання конденсаторів в батареї. При послідовному з’єднанні двох однотипних конденсаторів робоча напруга подвоюється, а сумарна ємність зменшується в два рази. При паралельному з’єднанні двох однотипних конденсаторів робоча напруга залишається незмінною, а сумарна ємність збільшується в два рази.

Третім за важливістю параметром конденсаторів є температурний коефіцієнт зміни ємності (ТКЄ). Він дає уявлення про зміну ємності в умовах зміни температур.

Залежно від призначення використання, конденсатори поділяються на конденсатори загального призначення, вимоги до параметрів яких некритичні, і на конденсатори спеціального призначення (високовольтні, прецизійні і з різними ТКЄ).

Маркування конденсаторів

Подібно резисторам, в залежності від габаритів виробу, може застосовуватися повне маркування із зазначенням номінальної ємності, класу відхилення від номіналу і робочої напруги. Для малогабаритних конденсаторів застосовують кодове маркування з трьох або чотирьох цифр, змішану цифро-буквене маркування та кольорове маркування.

Відповідні таблиці перерахунку маркувань за номіналом, робочою напругою та ТКЄ можна знайти в Інтернеті, але найдієвішим і практичним методом перевірки номіналу і справності елемента реальної схеми залишається безпосереднє вимірювання параметрів випаяного конденсатора за допомогою мультиметра.

Оксидний конденсатор зібраний з двох алюмінієвих стрічок і паперової прокладки з електролітом. Одна з алюмінієвих стрічок покрита шаром оксиду алюмінію і служить анодом. Катодом служить друга алюмінієва стрічка і паперова стрічка з електролітом. На алюмінієвих стрічках видно сліди електрохімічного травлення, що дозволяє збільшити їх площу поверхні, а значить і ємність конденсатора.

Попередження: оскільки конденсатори можуть накопичувати великий заряд при досить високій напрузі, щоб уникнути ураження електричним струмом необхідно перед вимірюванням параметрів конденсатора розряджати його, закоротив його дротом з високим опором зовнішньої ізоляції. Найкраще для цього підходять штатні дроти вимірювального приладу.

Оксидні конденсатори: даний тип конденсатора має велику питому ємність, тобто, ємність на одиницю ваги конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторів є зазвичай алюмінієва стрічка, покрита шаром оксиду алюмінію. Другою обкладкою служить електроліт. Так як електролітичні конденсатори мають полярність, то принципово важливо включати такий конденсатор в схему строго відповідно до полярністю напруги.

Твердотільні конденсатори: в них замість традиційного електроліту в якості обкладки використовується органічний полімер, який проводить струм, або напівпровідник.

Змінні конденсатори: ємність може змінюватися механічним способом, електричною напругою або за допомогою температури.

Плівкові конденсатори: діапазон ємності даного типу конденсаторів становить приблизно від 5 пФ до 100 мкФ.

Є й інші типи конденсаторів.

Іоністори

В наші дні популярність набирають іоністори. Іоністор (суперконденсатор) — це гібрид конденсатора і хімічного джерела струму, заряд якого накопичується на межі поділу двох середовищ — електрода і електроліту. Початок створенню іоністорів було покладено в 1957 році, коли був запатентований конденсатор з подвійним електричним шаром на пористих вугільних електродах. Подвійний шар, а також пористий матеріал допомогли збільшити ємність такого конденсатора за рахунок збільшення площі поверхні. Надалі ця технологія доповнювалася і поліпшувалася. На ринок іоністори вийшли на початку вісімдесятих років минулого століття.

З появою іоністорів з’явилася можливість використовувати їх в електричних ланцюгах як джерела напруги. Такі суперконденсатори мають довгий термін служби, малу вагу, високі швидкості зарядки-розрядки. У перспективі даний вид конденсаторів може замінити звичайні акумулятори. Основними недоліками іоністорів є менша, ніж у електрохімічних акумуляторів питома енергія (енергія на одиницю ваги), низька робоча напруга і значний саморозряд.

Іоністори застосовуються в автомобілях Формули-1. У системах рекуперації енергії, при гальмуванні виробляється електроенергія, яка накопичується в маховику, акумуляторах або в іоністорах для подальшого використання.

У побутовій електроніці іоністори застосовуються для стабілізації основного живлення і в якості резервного джерела живлення таких приладів як плеєри, ліхтарі, в автоматичних комунальних лічильниках і в інших пристроях з батарейним живленням і навантаженням, яке змінюється, забезпечуючи живлення при підвищеному навантаженні.

У громадському транспорті застосування іоністорів особливо перспективно для тролейбусів, так як стає можлива реалізація автономного ходу і збільшення маневреності; також іоністори використовуються в деяких автобусах і електромобілях.

Електричні автомобілі в теперішньому часі випускають багато компаній, наприклад: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Університет Торонто спільно з компанією Toronto Electric розробили повністю канадський електромобіль A2B. У ньому використовуються іоністори разом з хімічними джерелами живлення, так зване гібридне електричне зберігання енергії. Електродвигуни даного автомобіля живляться від акумуляторів вагою 380 кілограм. Також для підзарядки використовуються сонячні батареї, встановлені на даху електромобіля.

Ємнісні сенсорні екрани

У сучасних пристроях все частіше застосовуються сенсорні екрани, які надають право керувати пристроями шляхом дотику до панелей з індикаторами або екранів. Сенсорні екрани бувають різних типів: резистивні, ємнісні та інші. Вони можуть реагувати на одне або кілька одночасних дотиків. Принцип роботи ємнісних екранів ґрунтується на тому, що предмет великої ємності проводить змінний струм. В даному випадку цим предметом є тіло людини.

Поверхнево-ємнісні екрани

Таким чином, поверхнево-ємнісний сенсорний екран являє собою скляну панель, покриту прозорим резистивним матеріалом. Таким резистивним матеріалом є сплав оксиду індію та оксиду олова що має високу прозорість і малий поверхневий опір. Електроди, що подають на провідний шар невелику змінну напругу, розташовуються по кутах екрана. При торканні до такого екрану пальцем з’являється витікання струму, яке реєструється в чотирьох кутах датчиками і передається в контролер, який визначає координати точки дотику.

Перевага таких екранів полягає в довговічності (близько 6,5 років натискань з проміжком в одну секунду або близько 200 млн. натискань). Вони мають високу прозорість (приблизно 90%). Завдяки цим перевагам, ємнісні екрани вже з 2009 року активно почали витісняти резистивні екрани.

Недолік ємнісних екранів полягає в тому, що вони погано працюють при негативних температурах, є труднощі з використанням таких екранів в рукавичках. Якщо провідне покриття розташоване на зовнішній поверхні, то екран є досить уразливим, тому ємнісні екрани застосовуються лише в тих пристроях, які захищені від негоди.

Проекційно-ємнісні екрани

Крім поверхнево-ємнісних екранів, існують проекционно-ємнісні екрани. Їх відмінність полягає в тому, що на внутрішній стороні екрану нанесена сітка електродів. Електрод, до якого торкаються, разом з тілом людини утворює конденсатор. Завдяки сітці, можна отримати точні координати торкання. Проекційно-ємнісний екран реагує належним чином в тонких рукавичках.

Проекційно-ємнісні екрани також мають високу прозорість (близько 90%). Вони довговічні і досить міцні, тому їх широко застосовують не тільки в персональній електроніці, але і в автоматах, в тому числі встановлених на вулиці.

Автор статті: Sergey Akishkin, Tatiana Kondratieva