ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 16.03.20
    ТЕКСТ: Денис Вінніков
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Електрична гідра

    Як найкраще очистити коштовне каміння чи дезінфікувати продукти? У цьому допоможе гідра – тільки не Лернейська, а електрична. На відміну від міфічного створіння, така гідра – наш найкращий друг.

    Електрика і вода

    Першим документальним свідченням про електрику стали праці грека Фалеса, що жив у VI сторіччі до нашої ери у місті Мілет. Він вказував, що електрика виникає під час тертя вовни з бурштином. Саме слово «електрика», або «електрон», має давньогрецьке коріння й означає «бурштинність» (за властивістю бурштину мати заряд і притягувати певні предмети). Але тоді у людства не було достатньої кількості експериментальних методів досліджень, щоб обґрунтовано описувати й доводити існування фізичних явищ. Найчастіше фізичні відкриття завершувалися описом фактів, що спостерігалися. 

     

    Як науковий термін слово «електрика» почали застосовувати з XVII сторіччя. В середині XVIII сторіччя з’явилися перші прототипи сучасних електричних конденсаторів й доведели електричне походження блискавок. У 1791 році італієць Луїджі Ґальвані одним із перших провів досліди з електрикою у підсоленій воді. Він довів, що під час контакту різних металів, занурених у рідке середовище з високою електропровідністю, буде з’являтися упорядкований рух електронів та іонів, тобто струм. Відтоді електрикою почали займатися більш прискіпливо і застосовувати не лише у фізичних дослідах, але й у фізіології, медицині та біології під час вивчення  живих істот, які можуть створювати електричний струм. Електрика стала невід’ємною частиною наукового життя. 

     

    Електрика – це явище, засноване на існуванні, русі та взаємодії тіл, що мають електричний заряд. Елементарними електричними частинками є електрон і протон. Під час руху частинки, що мають заряд, створюють магнітні поля, котрі своєю чергою діють на інші частинки, що мають заряд. З таких частинок складаються атоми: позитивно заряджені у ядрі протони та один чи більше електронів обертаються навколо ядра різними орбітами, які мають чітко визначені траєкторії. Вже з атомів складаються молекули, кристали, різноманітні речовини та хімічні сполуки, які також можуть мати електричний заряд.   

     

    Що ж стосується води, то її значення переоцінити дуже важко. Всі живі істоти містять воду, рослини і тварини складаються з неї більше ніж на 60%. Наша планета покрита водою на 70%.

     

    Коли вода нагрівається до високих температур, вона стає парою, а за кількох тисяч градусів здатна розпадатися на атоми кисню та водню й перетворюватися на сукупність заряджених частинок – плазму. Саме перехід води з рідкого фазового стану в пару, а потім – у плазму під дією струму допомагає вивчати електрику в рідких середовищах.

     

    Сучасне діагностичне високошвидкісне обладнання дозволяє фотографувати процеси, що відбуваються під час проходження електричного струму крізь рідину. У воду занурений стрижень (електрод), що проводить електричні заряди і з’єднаний з джерелом зарядів, котре зветься електричною ємністю. Що більше в ємності накопичено зарядів, то більшу напруженість (іншими словами, силу електричного поля) вдасться отримати на кінці електрода. Під час досягнення достатньої напруженості вода біля електрода починає розігріватись і кипіти. Заряди з конденсатора починають швидко переходити в пару, що утворюється, бо там електричний опір середовища поступово зменшується, тобто кількість носіїв заряду збільшується, і швидке збільшення зарядів в локалізованій ділянці біля електрода призводить до ще більшого зростання напруженості електричного поля та розігрівання рідини. Поступово накопичені в ємності заряди переходять в усю ділянку міжелектродного проміжку, електроди замикаються за рахунок зарядів, і між ними починає протікати електричний струм.

     

    Якщо в ємності ще є достатньо зарядів, то може виникати так званий пробій –  явище, за якого потік заряджених частинок створює струмовий канал, що поширюється від одного електрода до іншого і замикає їх між собою. Саме в цей момент енергія, зумовлена кількістю зарядів в електричній ємності та швидкістю їх потрапляння на електроди, найінтенсивніше перетворюється на роботу, яка витрачається на нагрів рідини, трансформацію її в пару й подальший іонізований стан. Енергія в струмовому каналі може виділятися за дуже короткий час, близько десяти мікросекунд і навіть швидше. Площа струмового каналу, який утворився, може не перевищувати розмірів одного сірника за довжиною та перетином. Щоб уявити собі струмовий канал, який зростає у воді, можна повернутися до давньогрецької міфології й згадати Лернейську гідру, що була схожа на змію з кількома головами.

     

    У нашому випадку тілом гідри буде так званий «лідер» струмового каналу, а її голови виконують роль «стримерів». Саме таким чином струмовий канал поступово розвивається і проростає на шляху від потенційного електрода, який є джерелом зарядів, до протилежного електрода. Лідер збільшується в розмірах за рахунок стримерів, «голів гідри», що розігрівають й іонізують воду, яка їх оточує, і за рахунок енергії, яку виділяє електрична ємність. Голови насичують тіло гідри дедалі більшою кількістю заряджених частинок, і вона нарощує швидкість та силу. Швидкість  просування лідера залежить від енергії, зосередженої в ємності, та від властивостей води (зокрема від її провідності).

     

    Це явище вперше виявили не так давно, у XIX сторіччі. Вже тоді багато дослідників побачили можливість одержання ударних та звукових хвиль, що супроводжують електричний пробій води. На сьогодні завдяки сучасній діагностичній апаратурі встановлено, що при електричному пробої рідини виникає ультрафіолетове випромінювання, електромагнітні хвилі, звукові хвилі широкого спектру частот та процеси, пов’язані з утворенням пухирців повітря у воді. Температури поблизу струмового каналу можуть становити до 50 000 градусів, а тиск під час розширення лідера сягає тисяч мегапаскалів.

     

    Природні й рукотворні розряди

    Майже всіма своїми відкриттями людство зобов’язане природі. Люди спостерігали за істотами або природними явищами й робили певні висновки. Усі фізичні закони мають описовий або констатувальний характер і зумовлені сутністю світу, який нас оточує. Так сталося і з електричним пробоєм води. Те, що людство виявило порівняно нещодавно, в процесі еволюції набули чимало тварин.

     

    Відомі скати, вугрі, соми та морські звіздарі, що мають електричні властивості. Це слугує їм захистом від хижаків або інструментом нападу на потенційну жертву. Такі істоти живуть лише у водному середовищі. Напруги розрядів невеликі й становлять до 300 Вольт, а струми – десятки ампер. Кількість розрядів може сягати кількох десятків і навіть сотень, поки в риби не закінчиться запас електричної енергії або ворог не буде достатньо уражений. Після цього живому організму необхідний час для накопичення нових сил та природної перезарядки. Науковці розробили обладнання, яке дозволяє одержувати набагато більші значення напруги та струму. Напруга, що генерується у сучасних установках, які ініціюють пробій рідини, може досягати сотень тисяч вольт, струми – кількох сотень кілоампер, енергія розрядів – десятків кілоджоулів.  Енергетичні величини залежать від того, які технологічні завдання треба вирішувати.

     

    Конкурент пастеризації

    Яке ж використання змогло знайти електричному пробою рідини людство? Є кілька найважливіших напрямків: медична, будівнича та харчова галузі, штампування і процеси, пов’язані з виготовленням фюзеляжів літаків та підвісів автомобілів, особливо для тих випадків, коли треба забезпечити відповідний рівень обтікання поверхонь. Усі ці напрямки вдалося охопити завдяки синергії факторів, що супроводжують процес пробою рідини. Насамперед це ударні хвилі, турбулентні потоки, високі температури, ультрафіолетове, електромагнітне та звукове випромінювання.

     

    У медицині це подрібнення каменів в нирках, отримання емульсій, знезараження води завдяки внесенню в неї електрода зі срібла або міді. Знезараження води, наприклад, відбувається так: на першому етапі між електродами високовольтної електрогідравлічної установки виникає перенапруження, що призводить до закипання рідини. Біля одного з електродів утворюється газовий місток, в якому іонізується газ і утворюється плазма з температурою у декілька десятків тисяч градусів. Ця плазма з’єднує міжелектродний проміжок, і саме в цей момент напруга на проміжку й у розрядній схемі спадає, а струм різко збільшується. Це різке збільшення струму призводить до швидкої зміни тиску та температури біля струмового каналу і в тій його частині, що торкається електродів. Великі градієнти зумовлюють виривання частинок з поверхні матеріалу. Ці частинки можуть мати розміри від атомарних, близько ангстрема (10-10 м), до мікророзмірів і навіть великих крапель. Однак найактивнішими з точки зору бактерицидного і бактеріостатичного ефекту виявляються дрібні частинки нанорозмірів. У частинки з такими невеликими розмірами є значна площа, на якій перебувають вільні атоми. Завдяки цьому вона притягує до себе забруднення, зокрема бактерії, і вступає з ними у тісний хімічний та фізичний контакт, забезпечуючи їхню дезактивацію. Ці наночастинки, що утворюються з матеріалу електродів, забезпечують дезінфікувальну дію пробою рідин.

     

    Завдяки пробою в рідких харчових продуктах також відбуваються дезінфекційні процеси: соки, морси і молоко після цього можуть довше зберігатися, патогенна мікрофлора цілком пригнічується. Цей метод створює конкуренцію поширеній пастеризації.

     

    Електричний пробій води використовується для подрібнення руд і гірських порід, що містять коштовне каміння. Тільки цей метод здатен, не пошкоджуючи структуру й форму коштовного каміння, звільнити його від порожньої породи. Під час такого процесу дорогоцінне каміння, яке перебуває у порожній породі, занурюється у воду. Великі тиски, що утворюються у воді під час розряду, примушують частинки руди тертися одна об одну та об стінки камери, в якій відбувається розряд. Таким чином порожня порода знімається, а корисна копалина залишається неушкодженою. Механічні методи тут майже безсилі або потребують значних енергетичних витрат з використанням великої кількості води, що забруднює довкілля.

     

    З додаванням води в камери, де створюється електричний пробій, можна забезпечувати переробку вторинної сировини. У великі ванни занурюють будівельні плити і руйнують їх великими тисками, що утворюються під час розрядів. Так відбувається  звільнення металевої арматури від бетонної суміші. Перемол асфальту для його повторного використання відбувається в спеціальних контейнерах з водою, де щебінь відокремлюється від бітуму. Руйнування підводних частин причалів портів з метою реконструкції здійснюється за допомогою спеціальних електродних систем, що монтуються на елементах конструкції причалу.

     

    У металургії електричні розряди забезпечують перемішування розплавів металів і звільнення від повітря. В цьому випадку в розплавлені метали занурюються електроди з тугоплавких металів.

     

    Спеціальні пересувні електроди, що закріплюються на зовнішній поверхні суден, дозволяють очищати їхні корпуси від наростів мушель та молюсків. Це відновлює корабельну плавучість та стійкість. Сучасне літакобудування та автомобільна галузь вже неможливо уявити без використання великих імпульсних тисків, які утворюються під час електричного пробою. Всі заокруглені форми і витончені лінії сучасних автівок виготовляють у спеціальних штампувальних ваннах об’ємом у кілька кубометрів. У ці ванни вкладається спеціальна відлита негнучка матриця, що імітує за формою, наприклад, двері автомобіля, або частину фюзеляжа літака. На матриці розміщують металевий лист, він надійно фіксується і також занурюється у воду для забезпечення електричної провідності. Високовольтні електроди розміщуються, наприклад, над металевим листом. Ванна герметизується, потім за допомогою високовольтного пробою рідина стискається, притискає лист до матриці, і він приймає її форму. Таких пробоїв може бути кілька, доки лист остаточно набуде правильної форми. Після цього весь процес повторюється з іншою заготовкою.

     

    Ось тільки невелика частка застосувань «електричної гідри» та явищ, що її супроводжують. В Україні вивченням пробоїв у рідинах займаются на найвищому науковому рівні Миколаївський інститут імпульсних процесів та технологій, а також Харківський фізико-технічний інститут Національної академії наук України.

     

    Тож якщо колись ви зустрінете пакування молока з написом: «оброблено електричними розрядами», будьте впевнені, таку продукцію можна сміливо вживати всією родиною, бо  ультрафіолетове випромінювання разом з великими тисками, що руйнують мембрани шкідливих клітин, цілком знешкоджують патогенну мікрофлору. Отже, гідра зробила свою справу на всі 100%.

    ТЕКСТ: Денис Вінніков
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: