18.8: Matumizi ya Electrostatics

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Jina maombi kadhaa ya ulimwengu halisi ya utafiti wa electrostatics.

Utafiti wa electrostatics umeonyesha kuwa muhimu katika maeneo mengi. Moduli hii inashughulikia chache tu ya matumizi mengi ya electrostatics.

Jenereta ya Van de Graaff

Jenereta za Van de Graaff (au Van de Graaffs) sio tu vifaa vya kuvutia vinavyotumika kuonyesha voltage ya juu kutokana na umeme wa tati-vinatumika pia kwa utafiti mkubwa. Ya kwanza ilijengwa na Robert Van de Graaff mwaka 1931 (kulingana na mapendekezo ya awali na Bwana Kelvin) kwa matumizi katika utafiti wa fizikia ya nyuklia. Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha schematic ya toleo kubwa la utafiti. Van de Graaffs hutumia nyuso zote za laini na zilizoelekezwa, na waendeshaji na wahami ili kuzalisha mashtaka makubwa ya tuli na, kwa hiyo, voltages kubwa.

Malipo makubwa sana yanaweza kuwekwa kwenye nyanja, kwa sababu inakwenda haraka kwenye uso wa nje. Mipaka ya vitendo hutokea kwa sababu mashamba makubwa ya umeme hupunguza na hatimaye ionize vifaa vya jirani, na kuunda mashtaka ya bure ambayo hupunguza malipo ya ziada au kuruhusu kutoroka. Hata hivyo, voltages ya volts milioni 15 ni vizuri ndani ya mipaka ya vitendo.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Schematic ya Van de Graaff jenereta. Betri (A) hutoa malipo mazuri kwa conductor alisema, pointi ambazo hupunja malipo kwenye ukanda wa kuhami karibu na chini. Kondakta aliyeelekezwa (B) juu katika nyanja kubwa huchukua malipo. (Uwanja wa umeme ulioingizwa kwenye pointi ni kubwa sana kwamba huondoa malipo kutoka kwa ukanda.) Hii inaweza kufanyika kwa sababu malipo hayabaki ndani ya nyanja ya kuendesha lakini huenda kwenye uso wake wa nje. Chanzo cha ioni ndani ya nyanja hutoa ions nzuri, ambazo zinaharakisha mbali na nyanja nzuri hadi kasi ya juu.

JARIBIO LA NYUMBANI: UMEME NA UNYEVU

Panda sufuria kupitia nywele zako na uitumie kuinua vipande vya karatasi. Inaweza kusaidia kuvunja vipande vya karatasi badala ya kuzikatwa vizuri. Kurudia zoezi katika bafuni yako baada ya kuwa na oga kwa muda mrefu na hewa katika bafuni ni unyevu. Je, ni rahisi kupata athari za umeme katika hewa kavu au yenye unyevu? Kwa nini karatasi iliyopasuka itakuwa ya kuvutia zaidi kwa sufuria kuliko karatasi iliyokatwa? Eleza uchunguzi wako.

Xerography

Mashine nyingi za nakala hutumia mchakato wa umeme unaoitwa xerography —neno lililoundwa kutoka kwa maneno ya Kigiriki xeros kwa kavu na graphos kwa kuandika. Moyo wa mchakato unaonyeshwa kwa fomu rahisi katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Ngoma ya alumini iliyotiwa na seleniamu inapunjwa kwa malipo mazuri kutoka kwa pointi kwenye kifaa kinachoitwa corotron. Selenium ni dutu yenye mali ya kuvutia-ni photoconductor. Hiyo ni, seleniamu ni insulator wakati wa giza na conductor wakati wazi kwa mwanga.

Katika hatua ya kwanza ya mchakato wa xerography, ngoma ya alumini ya uendeshaji imewekwa ili malipo hasi iingizwe chini ya safu nyembamba ya seleniamu yenye kushtakiwa kwa usawa. Katika hatua ya pili, uso wa ngoma unaonekana kwa picha ya chochote kinachopaswa kunakiliwa. Ambapo picha ni nyepesi, seleniamu inakuwa inayofanya, na malipo mazuri yanapunguzwa. Katika maeneo ya giza, malipo mazuri yanabakia, na hivyo picha imehamishiwa kwenye ngoma.

Hatua ya tatu inachukua poda nyeusi kavu, inayoitwa toner, na kuinyunyiza kwa malipo hasi ili iweze kuvutia mikoa nzuri ya ngoma. Kisha, kipande cha karatasi tupu kinapewa malipo mazuri zaidi kuliko kwenye ngoma ili iweze kuvuta toner kutoka kwenye ngoma. Hatimaye, karatasi na toner electrostatically uliofanyika hupitishwa kupitia rollers shinikizo joto, ambayo kuyeyuka na kudumu kuambatana toner ndani ya nyuzi za karatasi.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Xerography ni mchakato wa kuiga kavu kulingana na electrostatics. Hatua kuu katika mchakato ni malipo ya ngoma ya photoconducting, uhamisho wa picha inayounda duplicate ya malipo mazuri, kivutio cha toner kwenye sehemu za kushtakiwa za ngoma, na uhamisho wa toner kwenye karatasi. Haionyeshwa ni matibabu ya joto ya karatasi na utakaso wa ngoma kwa nakala inayofuata.

Printers Laser

Printers laser kutumia mchakato xerographic kufanya picha ubora juu ya karatasi, kuajiri laser kuzalisha picha kwenye ngoma photoconducting kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Katika matumizi yake ya kawaida, printer laser inapata pato kutoka kwa kompyuta, na inaweza kufikia pato la juu kwa sababu ya usahihi ambao mwanga wa laser unaweza kudhibitiwa. Printers nyingi za laser hufanya usindikaji muhimu wa habari, kama vile kutengeneza barua za kisasa au fonts, na zinaweza kuwa na kompyuta yenye nguvu zaidi kuliko ile inayowapa data ghafi kuchapishwa.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Katika printer laser, boriti laser ni scanned katika ngoma photoconducting, na kuacha picha chanya malipo. Hatua nyingine za malipo ya ngoma na kuhamisha picha kwenye karatasi ni sawa na katika xerography. Mwanga wa laser unaweza kudhibitiwa kwa usahihi, kuwezesha waandishi wa laser kuzalisha picha za ubora.

Printers Jet ya Ink na Uchoraji wa

Printer ya jet ya wino, ambayo hutumiwa kuchapisha maandishi na graphics zinazozalishwa na kompyuta, pia huajiri umeme. Bomba hufanya dawa nzuri ya matone madogo ya wino, ambayo hupewa malipo ya umeme (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Mara baada ya kushtakiwa, matone yanaweza kuelekezwa, kwa kutumia jozi za sahani za kushtakiwa, kwa usahihi mkubwa kuunda barua na picha kwenye karatasi. Printers za ndege za wino zinaweza kuzalisha picha za rangi kwa kutumia ndege nyeusi na jets nyingine tatu zilizo na rangi za msingi, kwa kawaida cyan, magenta, na njano, kama vile televisheni ya rangi inazalisha rangi (hii ni ngumu zaidi kwa xerography, inayohitaji ngoma nyingi na toners).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Bomba la printer ya wino-jet hutoa matone madogo ya wino, ambayo hupunjwa kwa malipo ya umeme. Vifaa mbalimbali vinavyotokana na kompyuta hutumiwa kuelekeza matone kwenye nafasi sahihi kwenye ukurasa.

Uchoraji wa umeme huajiri malipo ya umeme ili kupaka rangi kwenye nyuso zisizo za kawaida. Kuondolewa kwa pamoja kwa mashtaka kama husababisha rangi kuruka mbali na chanzo chake. Mvutano wa uso huunda matone, ambayo huvutiwa na mashtaka tofauti na uso kuwa walijenga. Uchoraji wa umeme unaweza kufikia wale vigumu kupata mahali, kutumia kanzu hata kwa namna iliyodhibitiwa. Ikiwa kitu ni conductor, uwanja wa umeme ni perpendicular kwa uso, hujaribu kuleta matone kwa perpendicularly. Pembe na pointi juu ya waendeshaji watapata rangi ya ziada. Felt inaweza kutumika sawa.

Precipitators ya moshi na Usafi wa Air Electrostatic

Matumizi mengine muhimu ya electrostatics hupatikana katika kusafisha hewa, wote wawili na wadogo. Sehemu ya umeme ya mchakato huweka malipo ya ziada (kwa kawaida chanya) juu ya moshi, vumbi, poleni, na chembe nyingine katika hewa na kisha hupita hewa kupitia gridi ya kushtakiwa kinyume ambayo huvutia na huhifadhi chembe za kushtakiwa (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Vipeperushi vikubwa vya umeme hutumiwa viwanda ili kuondoa zaidi ya 99% ya chembe kutoka kwa uzalishaji wa gesi ya stack inayohusishwa na kuchomwa kwa makaa ya mawe na mafuta. Wafanyabiashara wa nyumbani, mara nyingi kwa kushirikiana na inapokanzwa nyumbani na mfumo wa hali ya hewa, ni bora sana katika kuondoa chembe za uchafuzi, hasira, na allergens.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): (a) Mpangilio wa precipitator ya umeme. Air hupita kupitia grids ya malipo kinyume. Gridi ya kwanza inashutumu chembe za hewa, wakati wa pili huvutia na kukusanya. (b) Athari kubwa ya vizuizi vya umeme huonekana kwa kutokuwepo kwa moshi kutoka kwenye mmea huu wa nguvu. (mikopo: Cmdalgleish, Wikimedia Commons)

MIKAKATI YA KUTATUA MATATIZO YA UMEME

1. Kuchunguza hali ili kuamua ikiwa umeme wa tuli unahusishwa. Hii inaweza kuhusisha mashtaka yaliyotengwa, majeshi kati yao, na mashamba ya umeme wanayounda.
2. Tambua mfumo wa maslahi. Hii ni pamoja na kutambua idadi, maeneo, na aina ya mashtaka yanayohusika.
3. Tambua hasa kile kinachohitajika kuamua katika tatizo (kutambua haijulikani). Orodha iliyoandikwa ni muhimu. Kuamua kama nguvu ya Coulomb inapaswa kuchukuliwa moja kwa moja-ikiwa ni hivyo, inaweza kuwa na manufaa kuteka mchoro wa bure wa mwili, kwa kutumia mistari ya shamba la umeme.
4. Fanya orodha ya kile kinachopewa au kinaweza kuhitimishwa kutokana na tatizo kama ilivyoelezwa (kutambua maarifa). Ni muhimu kutofautisha nguvu ya Coulomb\(\mathbf{F}\) kutoka uwanja wa umeme\(\mathbf{E}\), kwa mfano.
5. Kutatua equation sahihi kwa wingi kuamua (haijulikani) au kuteka mistari shamba kama ombi.
6. Kuchunguza jibu ili kuona kama ni busara: Je, ni mantiki? Je vitengo sahihi na idadi ya kushiriki busara?

zifuatazo kazi mfano unaeleza jinsi mkakati huu ni kutumika:

Mfano\(\PageIndex{1}\): Acceleration of a Charged Drop of Gasoline

Ikiwa hatua hazitachukuliwa chini ya pampu ya petroli, umeme wa tuli unaweza kuwekwa kwenye petroli wakati wa kujaza tank ya gari lako. Tuseme tone ndogo ya petroli ina wingi wa\(4.00\times 10^{-15}kg\) na hupewa malipo mazuri ya\(3.20\times 10^{-19}C\). (a) Pata uzito wa tone. (b) Tumia nguvu ya umeme kwenye tone ikiwa kuna uwanja wa juu wa nguvu\(3.00\times 10^{5} N/C\) kutokana na umeme mwingine wa tuli karibu. (c) Tumia kasi ya kushuka kwa kasi.

Mkakati

Ili kutatua tatizo la dhana jumuishi, ni lazima kwanza kutambua kanuni za kimwili zinazohusika na kutambua sura ambazo zinapatikana.

• Sehemu (a) ya mfano huu inauliza uzito. Hii ni mada ya mienendo na inaelezwa katika Dynamics: Nguvu na Sheria za Newton za Mwendo.
• Sehemu (b) inahusika na nguvu za umeme kwa malipo, mada ya Umeme Charge na Umeme Field. Sehemu (c) inauliza kuongeza kasi, kujua nguvu na wingi. Hizi ni sehemu ya sheria za Newton, pia zinapatikana katika Dynamics: Force and Newton's Laws of Motion.

Ufumbuzi wafuatayo kwa kila sehemu ya mfano unaonyesha jinsi mikakati maalum ya kutatua matatizo inatumika. Hizi zinahusisha kutambua ujuzi na haijulikani, kuangalia ili kuona kama jibu ni la busara, na kadhalika.

Suluhisho kwa (a)

Uzito ni mara nyingi kuongeza kasi kutokana na mvuto, kama ilivyoelezwa kwanza

\[w=mg.\]

Kuingia molekuli iliyotolewa na kuongeza kasi ya wastani kutokana na mavuno ya mvuto

\[\begin{align*} w &=(4.00\times 10^{-15}kg)(9.80m/s^{2}) \\[5pt] &= 3.92\times 10^{-14}N.\end{align*} \]

Majadiliano kwa (a)

Hii ni uzito mdogo, sambamba na molekuli ndogo ya tone.

Suluhisho kwa (b)

Nguvu uwanja wa umeme hufanya juu ya malipo hutolewa kwa upya upya equation ifuatayo:

\[F=qE. \nonumber \]

Hapa tunapewa malipo (\(3.20\times 10^{-19}C\)ni mara mbili kitengo cha msingi cha malipo) na nguvu ya shamba la umeme, na hivyo nguvu ya umeme inapatikana kuwa

\[\begin{align*} F&=(3.20\times 10^{-19}C)(3.00\times 10^{5}N/C) \\[5pt] &=9.60\times 10^{-14}N. \end{align*} \]

Majadiliano kwa (b)

Wakati hii ni nguvu ndogo, ni kubwa kuliko uzito wa tone.

Suluhisho kwa (c)

Kuongeza kasi inaweza kupatikana kwa kutumia sheria ya pili ya Newton, isipokuwa tunaweza kutambua vikosi vyote vya nje vinavyofanya tone. Tunadhani tu uzito wa tone na nguvu ya umeme ni muhimu. Kwa kuwa kushuka kuna malipo mazuri na uwanja wa umeme hutolewa kuwa juu, nguvu ya umeme iko juu. Sisi hivyo kuwa moja-dimensional (wima mwelekeo) tatizo, na tunaweza hali Newton sheria ya pili kama

\[a=\dfrac{F_{net}}{m}. \nonumber\]

wapi\(F_{net}=F-w\). Kuingia hii na maadili inayojulikana katika usemi kwa ajili ya sheria ya pili ya Newton mavuno

\[\begin{align*} a &=\dfrac{F-w}{m} \\[5pt] &=\dfrac{9.60\times 10^{-14}N-3.92\times 10^{-14}N}{4.00\times 10^{-15}kg} \\[5pt] &= 14.2m/s^{2}. \end{align*} \]

Majadiliano kwa (c)

Hii ni kuongeza kasi zaidi kubwa ya kutosha kubeba kushuka kwa maeneo ambapo unaweza unataka kuwa na petroli.

Mfano huu uliofanywa unaonyesha jinsi ya kutumia mikakati ya kutatua matatizo kwa hali ambazo zinajumuisha mada katika sura tofauti. Hatua ya kwanza ni kutambua kanuni za kimwili zinazohusika katika tatizo. Hatua ya pili ni kutatua kwa haijulikani kutumia mikakati ya kutatua matatizo. Hizi zinapatikana katika maandishi, na mifano mingi ya kazi inaonyesha jinsi ya kuitumia kwa mada moja. Katika mfano huu wa dhana jumuishi, unaweza kuona jinsi ya kuitumia kwenye mada kadhaa. Utapata mbinu hizi muhimu katika matumizi ya fizikia nje ya kozi ya fizikia, kama vile katika taaluma yako, katika taaluma nyingine za sayansi, na katika maisha ya kila siku. Matatizo yafuatayo yatajenga ujuzi wako katika matumizi mapana ya kanuni za kimwili.

MATOKEO MAANA

Mazoezi ya Matokeo yasiyo na maana kwa moduli hii yana matokeo ambayo hayana maana kwa sababu Nguzo fulani haina maana au kwa sababu baadhi ya majengo hayapatikani na mtu mwingine. Kanuni za kimwili zinatumika kwa usahihi kisha kuzalisha matokeo yasiyo ya maana. Madhumuni ya matatizo haya ni kutoa mazoezi katika kuchunguza kama asili inaelezwa kwa usahihi, na ikiwa sio kufuatilia chanzo cha ugumu.

MKAKATI WA KUTATUA TATIZO

Kuamua kama jibu ni busara, na kuamua sababu ikiwa sivyo, fanya zifuatazo.

1. Kutatua tatizo kwa kutumia mikakati kama ilivyoainishwa hapo juu. Tumia muundo uliofuatiwa katika mifano iliyofanywa katika maandishi ili kutatua tatizo kama kawaida.
2. Angalia ili uone kama jibu ni la busara. Je, ni kubwa mno au ndogo sana, au ina ishara mbaya, vitengo visivyofaa, na kadhalika?
3. Ikiwa jibu ni la maana, angalia nini hasa kinachoweza kusababisha ugumu uliotambuliwa. Kawaida, namna ambayo jibu ni busara ni dalili ya ugumu. Kwa mfano, nguvu kubwa sana ya Coulomb inaweza kuwa kutokana na dhana ya malipo makubwa ya kutengwa.

Muhtasari

• Electrostatics ni utafiti wa mashamba ya umeme katika usawa wa tuli.
• Mbali na utafiti kwa kutumia vifaa kama vile jenereta ya Van de Graaff, matumizi mengi ya vitendo ya umeme yanapo, ikiwa ni pamoja na fotocopiers, Printers laser, printers win-jet na filters hewa umeme.

faharasa

Jenereta ya Van de Graaff

mashine inayozalisha kiasi kikubwa cha malipo ya ziada, kutumika kwa majaribio na voltage ya juu

electrostatics

utafiti wa majeshi ya umeme ambayo ni tuli au polepole kusonga

photoconductor

dutu ambayo ni insulator mpaka ni wazi kwa mwanga, wakati inakuwa conductor

xerography

mchakato wa kuiga kavu kulingana na electrostatics

wekwa msingi

kushikamana na ardhi na conductor, ili malipo inapita kwa uhuru na kutoka duniani hadi kitu kilichowekwa

printer ya laser

hutumia laser kuunda picha ya photoconductive kwenye ngoma, ambayo huvutia chembe za wino kavu ambazo zimevingirwa kwenye karatasi ili kuchapisha nakala ya ubora wa picha

printer ya wino-jet

matone madogo ya wino yaliyochapwa na malipo ya umeme yanadhibitiwa na sahani za umeme ili kuunda picha kwenye karatasi

precipitators ya umeme

filters kwamba kuomba mashtaka kwa chembe katika hewa, kisha kuvutia mashtaka hayo kwa chujio, kuondoa yao kutoka airstream