Electricitate statica

Aplicatii ale electrostaticii

Paratraznetul

Cu mult imp inainte ca natura sarcinii electrice sa fie cunoscuta, oamenii de stiinta au inteles ca fulgerele si traznetele sunt descarcari similare cu cele pe care le produceau in laboratoare. Pe la 1750 existenta electricitatii atmosferice este demonstrata spectaculos de Benjamin Franklin, care ridica zmeie in timp de furtuna si produce scintei intre sfoara umeda si corpuri metalice legate la pamint.

Norii sunt constituiti dintr-un numar enorm de picaturi mici de apa si particule fine de gheata. In timpul furtunilor, din cauza turbulentelor, aceste particule se ciocnesc si se electrizeaza. Prin mecanisme care nu sunt inca intelese pe deplin, particulele mari capata sarcina negativa in timp ce particulele mici devin pozitive. Datorita curentilor de aer care urca, particulele mici se aglomereaza la partea superioara a norului pe cind la baza norului predomina particulele mari. Astfel, norul se incarca ca un condensator, baza fiind negativa iar partea superioara fiind pozitiva.

Intre aceste regiuni apar diferente de potential imense, de pina la sute de milioane de volti. Astfel, cimpul electric ajunge la intensitati la care poate aparea strapungerea aerului, prin canalul conductor creat realizindu-se neutralizarea reciproca a sarcinilor. Descarcarea electrica poate avea loc in interiorul unui nor (intre partea superioara si baza sa), intre doi nori diferiti (partea superioara a unuia si baza celuilalt) si intre un nor si un obiect de pe pamint. Primele doua tipuri de descarcari, la care participa doar norii, sunt numite fulgere, pe cind descarcarile electrice la pamint sunt numite traznete.

In cazul traznetelor, descarcarea are loc, cel mai adesea, intre baza negativa a unui nor si un obiect inalt de pe pamint, care este incarcat, prin inductie, cu sarcina pozitiva. Sarcina electrica vehiculata de un traznet "mediu" este de ordinul a 5 C iar energia produsa, 500 milioane de jouli, este suficienta sa alimenteze un bec de 100 W timp de doua saptamini. Efectele sunt devastatoare pentru ca aceasta energie este degajata intr-un timp foarte scurt, sub o zecime de miime de secunda. Producerea unui fulger este un fenomen complex, cu mai multe etape. In filmul urmator puteti vedea cum din nor pornesc in multe directii canale conductoare. Cind unul dintre acestea se intilneste cu un canal similar "crescut" de la pamint, pe acel traseu apare o descarcare puternica.

In urma experimentelelor sale de electricitate, Bejamin Franklin a inventat paratraznetul, un dispozitiv care protejeaza cladirile impotriva traznetelor.

Paratraznetul este constituit dintr-o bara metalica groasa, montata pe acoperisul cladirii, conectata la un fir de cupru gros care coboara pina la nivelul solului si este legat la o bara sau gratar metalic ingropate in pamint. Bara si firul de legatura au diametrul de aproximativ 2 cm. Daca intre un nor si cladirea respectiva se produce o descarcare electrica, paratraznetul ofera o cale prin care sarcinile electrice sa treaca, ocolind astfel cladirea. Esential este ca intregul sistem sa opuna o "rezistenta" cit mai mica la curgerea sarcinilor electrice. Aceasta se obtine utilizind metale bune conductoare, fire groase si un contact cu pamintul cit mai bun. In figura urmatoare aveti schema unei instalatii ce protejeaza o casa de dimensiuni mici.


O constructie mai mare are nevoie de un sistem mai complex, asa cum se vede in desenul de mai jos.

Masini electrostatice

In experimentele in care o bagheta (de sticla sau rasina) era frecata cu o tesatura sau blana de animal, cantitatea de sarcina separata era mica deoarece capacitatea electrica era redusa iar distanta intre corpuri era mica si se ajungea repede la o valoare a cimpului electric la care aerul era strapuns prin multe scintei de mici dimensiuni. Pentru a face experimente inca si mai spectaculoase, au fost inventate masinile electrostatice, capabile sa separe cantitati mari de sarcina. Primele masini electrostatice, aparute pe la 1660, utilizau sfere mari de sulf sau cilindri de sticla, rotiti cu o manivela. Ca si la experimentele cu baghete, electrizarea era obtinuta prin frecare.

In timpurile moderne, masinile electrostatice au inceput sa fie utilizate in cercetarea structurii materiei: diferentele de potential uriase acceleraeza particulele atomice, care sunt apoi folosite in experimente de ciocniri. Incepind din 1929, la Massachusetts Institute of Technology (MIT) din SUA a fost pus la punct un nou tip de masina electrostatica, masina Van der Graaff. Sarcina este inmagazinata pe un electrod metalic, de forma sferica, gol pe interior. Acesta are o deschidere in partea de jos si este sprijinit pe o coloana dintr-un material foarte bun izolator. In interiorul coloanei, intre doi cilindri, este montata o banda transportoare izolatoare care este pusa in miscare cu o manivela sau cu un motor electric.

Sarcinile electrice sunt "depuse" pe banda la baza coloanei si, neputindu-se deplasa prin materialul izolator al benzii, sunt urcate odata cu banda in interiorul sferei metalice. Dupa cum stim, in cavitatea unui conductor metalic cimpul electric este nul, toata sarcina sa in exces imprastiindu-se pe suprafata exterioara. Din acest motiv, sarcinile de pe banda sunt colectate cu usurinta de o perie metalica legata la sfera si trec apoi pe suprafata exterioara a acesteia. Pentru electrizarea benzii, in partea inferioara a masinii, se poate utiliza fie frecarea cu o perie metalica legata la pamint fie o descarcare corona in jurul unui electrod mentinut la un potential ridicat de catre un circuit electronic. Al doilea pol al masinii este constituit dintr-o alta sfera metalica, legata la pamint. Modelele demonstrative folosesc frecarea si produc o diferenta de potential de ordinul cite zeci de mii de volti in timp ce variantele utilizate in acceleratoarele de particule ajung pina la 5 milioane de volti.

In filmul care urmeaza puteti vedea partile componente a unei masini Van der Graaf de mici dimensiuni.


iar in filmul de mai jos puteti admira cea mai mare masina Van der Graaff din lume, pastrata la muzeul de la MIT.



Incepind de la momentul 1:58 al filmului urmator sunt prezentate imagini cu masini Van der Graaff utilizate in acceleratoare de particule.


O masina Van der Graaf poate fi construita cu materiale foarte accesibile ca in filmul care urmeaza.


Cu numai 20 de dolari poate fi cumparata cea mai mica masina Van der Graaf: are forma unei baghete si functioneaza cu baterii:


Cu ea se pot face o multime de experimente, ca in filmul de mai jos.

Precipitatorul electrostatic

Precipitatoarele electrostatice sunt utilizate pentru retinerea a peste 99% din particulele solide din fumul produs de centralele termoelectrice care ard carbune. Ele sunt folosite, de asemenea in fabricile de ciment, incineratoare, la producerea zincului, cuprului si plumbului. Separarea particulelor este realizata prin trecerea fumului care le contine printr-un cimp electric puternic. Aici ele primesc o sarcina negativa si apoi sunt atrase de niste electrozi incarcati cu sarcina pozitiva, pe care se depun formind un strat. Periodic, acest strat este indepartat prin scuturare puternica in containere cu peretii inclinati puternic, impuritatile cazind liber spre usa de evacuare de la baza lor.

Cimpul electric este format intre electrozii de descarcare si placile de colectare (figura alaturata). Electrozii de descarcare, de forma unor fire subtiri, sunt adusi la un potential negativ de valoare foarte mare iar placile de colectare sunt legate la pamint, incarcind-se prin inductie cu sarcina pozitiva. Datorita formei electrozilor, cimpul electric are intensitatea maxima in apropierea electrozilor de descarcare unde apare o descarcare corona care poate fi vazuta ca o lumina albastra in jurul electrozilor. Electronii sunt puternic accelerati, indepartindu-se de electrodul de descarcare; prin ciocnire, ei smulg alti electroni din moleculele neutre de gaz transformindu-le in ioni pozitivi. Procesul are loc in avalansa, numarul de electroni liberi si ioni pozitivi crescind foarte mult. La rindul lor, ionii pozitivi sunt atrasi de catre electrodul de descarcare de care se ciocnesc si elibereaza electroni secundari.

Descarcarea corona apare cind cimpul electric, desi nu este suficient pentru strapungeea gazului printr-o scinteie, este destul de intens in apropierea electrodului ca sa produca ionizarea gazului, creind astfel un canal conductor. Puteti admira o descarcare corona in filmul urmator.

Revenim la functionarea precipitatorului. In regiunea intermediara, mai distantata de electrozii de descarcare, cimpul electric este mai slab si electronii, continuind sa se indeparteze, ciocnesc moleculele neutre de gaz cu mai putina energie, fiind capturati de acestea. Ionii negativi astfel formati, spre deosebire de cei pozitivi care ramin in apropierea electrodului de descarcare, continua sa se se indrepte spre placile de colectare care sunt incarcate pozitiv. Acesti ioni negativi au rolul esential in capturarea particulelor de impuritati.

Fiind antrenate de catre fluxul de gaz care a intrat in preciptator, particulele de impuritati "taie calea" ionilor negativi care se indreapta spre placile de colectare si sunt ciocnite de catre acestia. O particula de praf sau cenusa este uriasa in comparatie cu moleculele si ionii de gaz si poate "absorbi" zeci de mii de ioni negativi. Astfel, ea este atrasa de catre placile de colectare incarcate pozitiv unde se depune. Aici ea nu-si pierde complet sarcina negativa acumulata si continua sa fie atrasa, fiind astfel retinuta. In filmul de mai jos puteti vedea un model simplificat de precipitator format dintr-un electrod de descarcare montat pe axa unui cilindru de colectare. Demonstratiile experimentale incep de la momentul 12:45.

Precipitatoarele industriale sunt instalatii complexe, cu inaltimi de zeci de metri, ca cea din figura de mai jos.

Xerografia

Fotocopiatorul, cunoscut la noi sub numele de xerox, se bazeaza pe un proces inventat in 1940 si numit xerografie (de la cuvintele grecesti xeros - uscat si grafos - scriere). Procesul utilizeaza atractia electrostatica si proprietatea unor substante de a deveni conductoare electrice atunci cind sunt iluminate (fotoconductia). Piesa principala este o placa de aluminiu (bun conductor electric) peste care s-a depus un strat subtire fotoconductor din seleniu. Mai intii suprafata de seleniu este incarcata electric pozitiv prin trecerea unui electrod in jurul caruia exista o descarcare corona datorita potentialului ridicat la care este mentinut. Sarcinile aparute pe suprafata placii ramin acolo deoarece seleniul se comporta ca un izolator (desenul a) al figurii de mai jos). Apoi, pe placa se proiecteaza imaginea care trebuie reprodusa, imagine obtinuta de la original printr-un sistem de lentile si oglinzi (desenul b)). In regiunile placii care sunt iluminate, seleniul devine conductor si sarcina electrica de pe suprafata "curge" la baza de aluminiu si apoi la pamint (de fapt, electronii sositi de la pamint neutralizeaza sarcinile pozitive de pe placa). Acolo unde imaginea este intunecata, seleniul continua sa fie izolator si pastreaza sarcina pozitiva. In exemplul din figura, aceasta se intimpla in regiunea literei T. Fotoconductia nu este de tipul tot-sau-nimic ci este graduala, astfel ca densitatea superficiala de sarcina de pe suprafata placii "copiaza" imaginea luminoasa.

In etapa urmatoare, o pulbere neagra fina, numita toner, este electrizata negativ si pulverizata peste placa, ca in desenul c) de mai jos. Tonerul negativ adera acolo unde placa a ramas incarcata pozitiv (zonele intunecate de pe original) si nu adera in zonele neutre (cele care au fost iluminate). Pe placa, tonerul este repartizat neuniform formind o versiune a imaginii originale. Urmeaza transferarea tonerului, prin contact, pe hirtia care a fost incarcata pozitiv foarte puternic, mai puternic decit placa (desenul d). In final, prin presare la cald, tonerul este fixat definitiv pe hirtie si copia este gata (desenul e). Prin procedeul descris se obtin copii alb-negru ale documentului original. Pentru a produce o copie color se utilizeaza patru tonere de culori diferite (negru, albastru, rosu, si galben) si procesul se repeta pentru fiecare in parte. De fiecare data, imaginea proiectata pe placa este mai intii filtrata cu un filtru avind culoarea corespunzatoare tonerului respectiv. Combinarea in diferite proportii a acestor tonere produce oricare dintre culorile dorite.

Constructia unui fotocopiator real este un pic diferita. In locul unei placi fotoconductoare este utilizat un cilindru, numit si "tambur", care se roteste. Astfel, o "fisie" din cilindru trece pe rind pe linga electrodul ce o incarca cu sarcina pozitiva, prin fata unei oglinzi ce proiecteaza pe ea fisia corespunzatoare din imagine, peste o perie rotativa plina cu toner si, in sfirsit, prin fata hirtiei pe care tonerul se depune. Deoarece circumferinta cilindrului este mai mica decit lungimea documentului original, pentru redarea sa integrala este nevoie ca cilindrul sa efectueze mai multe rotatii. In filmul care urmeaza puteti vedea o animatie a acestui proces.

Crearea acestei tehnologii se datoreaza unui inventator singuratec, Chester Carlson, avocat la un birou de inventii, si unei companii mici si necunoscute care fabrica hirtie fotografica. Dupa aceea, compania si-a schimbat numele in Xerox. Priviti prima reclama a unei masini de fotocopiere, produsa de Xerox.

Imprimanta cu laser functioneaza dupa un principiu foarte asemanator. De data aceasta, in loc ca pe cilindrul fotoconductor sa se proiecteze fisii din imaginea unui document original, un fascicul laser "scaneaza" punct cu punct acest cilindru, intensitatea fasciculului fiind comandata de catre calculator. Acolo unde fasciculul a fost intens, cilindrul a devenit neutru si nu mai retine tonerul iar punctele unde fasciculul a fost mai putin intens ramin incarcate negativ si retin tonerul.

Imprimanta cu jet continuu de cerneala

Primul tip de imprimanta cu jet de cerneala ce a fost construit utilizeaza deflexia electrostatica a picaturilor si a fost numita imprimanta cu jet continuu. Desi iroseste multa cerneala, viteza sa mare o face sa fie inca folosita in industrie la marcarea produselor si ambalajelor. Descriem in continuare principiul ei de functionare. In timp ce se misca de-a latul si de-a lungul foii de hirtie, capul imprimantei arunca in afara un fascicul de stropi de cerneala foarte fini, cu dimensiunea de aproximativ o sutime de milimetru. In fiecare secunda, aproape 150 de mii de astfel de picaturi sunt lansate spre foaia de hirtie cu cu viteza de aproximativ 20 m/s. In drumul lor, ele trec prin doua componente electrice (figura de mai jos): un electrod cilindric si o pereche de placi de deflexie.

Intre cele doua placi de deflexie se mentine o diferenta de potential foarte mare. Cind capul imprimantei a ajuns intr-o zona care nu trebuie scrisa, un cimp electric este aplicat intre electrodul cilindric si capul imprimantei. Prin inductie, picaturile se desprind de cap avind o sarcina electrica neta si sunt, apoi, deflectate de cimpul electric dintre placi, astfel incit sunt impiedicate sa ajunga pe hirtie si se acumuleaza intr-un dispozitiv de colectare (gutter). In momentul in care capul imprimantei ajunge intr-o zona ce trebuie scrisa, tensiunea pe electrodul cilindric este adusa la zero, picaturile expulzate sunt neutre si, nemaifiind deflectate, ajung in punctul respectiv de pe hirtie.

Hirtia electronica

La un afisaj cu cristale lichide (LCD) lumina produsa de un dispozitiv din spatele afisajului este proiectata prin afisaj spre cel care priveste. Imaginile sunt obtinute prin modificarea transparentei cristalelor lichide. In cazul hirtiei electronice (numita si cerneala electronica), nu este nevoie de o sursa de lumina in spatele afisajului, acesta reflecta lumina ambianta ca pagina unei carti obisnuite. Astfel, utilizatorii acestei noi tehnologii nu mai simt aceeasi oboseala a ochilor ca cei care privesc ecrane LCD timp indelungat. In plus, energia consumata este mult mai mica iar afisajul poate fi facut foarte subtire si flexibil.

Prima varianta de hirtie electronica a fost inventata in 1970 si s-a numit Gyricon. Aceasta continea o multime de sfere minuscule intre doua foi de plastic transparent. Sferele erau asezate in cavitati pline cu ulei astfel incit se puteau roti liber. Fiecare sfera avea o jumatate alba iar cealalta jumatate era inchisa la culoare. Cele doua jumatati purtau sarcini electrice cu polaritati diferite si sferele puteau fi orientate prin aplicarea unui cimp electric. Imaginile erau bistabile, adica ramineau nemodificate dupa disparitia cimpului electric extern si putea fi reactualizate cind cimpul electric era aplicat din nou. In filmul urmator, acest tip de hirte elcectronica este descrisa incepind de la momentul 1:50.

Varianta moderna a hirtiei electronice este constituita din milioane de capsule minuscule avind diametrul cit grosimea unui fir de par. In filmul anterior, ea este descrisa incepind cu momentul 3:16. Fiecare microcapsula contine particule albe incarcate electric pozitiv si particule negre incarcate electric negativ, toate fiind suspendate intr-un lichid transparent. Cind un cimp electric este aplicat pe directie verticala, particulele albe sau particulele negre (in functie de polaritatea cimpului) se deplaseaza in partea superioara a microcapsulei unde devin vizibile pentru cel care priveste. Astfel, in acel punct, suprafata hirtiei apare alba sau neagra, dupa polaritatea cimpului aplicat acolo. Acest principiu de functionare este explicat in filmul urmator.

Una dintre aplicatiile hirtiei electronice este tableta flexibila: