Сила тока и напряжение: что опаснее — простыми словами о важных вещах! | Электрика для всех

Сила тока и напряжение: что опаснее — простыми словами о важных вещах!

Сегодня мы поговорим о самых важных в электрике и электронике понятиях — силе тока и напряжении. Это ключевые вещи, поэтому если вы до сих пор не разобрались, чем они отличаются — давайте устраним эту проблему и разложим вольты с амперами по полочкам раз и навсегда вместе!

Какой насос качает электричество?

Главное, что вам нужно понять — электричество есть везде, весь мир держится на электричестве и даже то, что вы стоите на полу, а не проваливаетесь через него, это также заслуга электричества. Поэтому говорить о том, что в розетке есть электричество, а в кирпиче нет некорректно. Причина, по которой розетка может ударить вас током, если засунуть внутрь гвоздь в том, что есть источник электрического тока, который через провода подключен к розетке.

Сила тока и напряжение: что опаснее — простыми словами о важных вещах!

Представьте ведро с водой — можно засунуть в ведро трубу, но вода так и останется внутри. Для того, чтобы заставить её течь, нужен насос. Источник тока — батарейка, аккумулятор, подстанция — это и есть насос, который берёт неподвижный электрический ток и начинает его толкать по проводам, создавая потенциал.

Напряжение толкает ток, а его количество — это и есть сила

Сила тока и напряжение: что опаснее — простыми словами о важных вещах!

Потенциал или напряжение это то же, что, например, высота, с который вы льёте воду из ведра: чем выше поднять ведро, тем сильнее вода будет бить по земле или вашей ладони. Напряжение может быть без тока, так же, как вода в ведре необязательно падает вниз, даже если ведро поднять очень высоко: мешают стенки ёмкости или изоляция. Переверните ведро и вода потечёт. Количество воды, которое протекает через устье ведра или трубу — это и есть сила тока.

Сила тока и напряжение: что опаснее — простыми словами о важных вещах!

Чем выше напряжение, тем сильнее оно давит на электричество. Если давление очень высокое, даже изолятор может не выдержать и прорваться, как прорывается воздух при разряде молнии — это называется пробой изоляции. И, конечно, чем выше напряжение — тем большее количество тока течёт через проводники, то есть сила тока прямо зависит от напряжения.

Заметьте, как неудачно выбран термин — миллионы людей спотыкаются об это слово «сила тока», которое не имеет смысла и всех путает, тогда как это не «сила» тока, а попросту его количество!

Наше тело и электричество: току всё равно, через что протекать

Теперь нетрудно понять, что именно опасно в электричестве. Это именно напряжение — чем выше давление тока, тем легче он прорывает защиту нашей кожи, которая пробивается уже при 70 вольтах. А дальше ток течёт через ткани нашего тела, насыщенные водой, без особых трудностей, поражая нервную систему и, особенно, сердце.

Будьте осторожны и помните — электричество это энергия, которая может выполнить работу, а может стать причиной разрушения, если с ней не дружить.

Спасибо за просмотр и лайк!

Электрическое напряжение. Разность потенциалов. Напряжение тока. « ЭлектроХобби

Пожалуй, одним из самых часто употребляемых выражений у электриков, является понятие электрическое напряжение. Его так же называют разность потенциалов и не совсем верное словосочетание, такое как напряжение тока, ну смысл у названий по сути общий. А что на самом деле обозначает это понятие? Пожалуй, для начала приведу книжную формулировку: электрическое напряжение — это отношение работы электрического поля зарядов при передачи пробного заряда из точки 1 в точку 2. Ну а простыми словами говоря, это объясняется так.

Напомню Вам, что заряды бывают двух видов, это положительные со знаком «+» и отрицательные со знаком «-». Большинство из нас в детстве игрались с магнитиками, которые были честно добыты из очередной сломанной машинки с электромоторчиком, где они и стояли. Так вот когда мы пытались приблизить эти самые магниты друг к другу, то в одном случае они притягивались, а если развернуть один из них наоборот, то соответственно отталкивались.

Это происходило, потому что у любого магнита существует два полюса, это южный и северный. В том случае, когда полюса одинаковые, то магнитики будут отталкиваться, ну а когда разноименные, притягиваться. То же самое происходит и с электрическими зарядами, причем сила взаимодействия зависит от количества и разноимённости этих заряженных частиц. Проще говоря, чем на одном предмете больше «плюса», а на другом соответственно «минуса», тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Либо наоборот, отталкиваться при одинаковом заряде (+ и + или — и -).

Теперь представим, что у нас есть два небольших железных шарика. Если мысленно заглянуть в них, можно увидеть огромное множество маленьких частичек, которые расположены друг от друга на не большом расстоянии и неспособны к свободному передвижению, это ядра нашего вещества. Вокруг этих частичек с невероятно большой скоростью вращаются более мелкие частички, под названием электроны. Они могут оторваться от одних ядер и присоединятся к другим, тем самым путешествуя по всему железному шарику. В случае, когда количество электронов соответствует количеству протонов в ядре, шарики электрически нейтральны.

А вот если каким-то образом забрать некоторое количество, такой шарик будет стремиться притянуть к себе это самое, недостающее количество электронов, тем самым образуя вокруг себя положительное поле со знаком «+». Чем больше не хватает электронов, тем сильней будет это положительное поле. В соседнем шарике сделаем на оборот и добавим лишних электронов. В итоге получим избыток и соответственно такое же электрическое поле, но со знаком «-».

В результате получим два потенциала, один из которых жаждет получить электроны, ну а второй от них избавится. В шаре с избытком возникает теснота и эти частицы, вокруг которых существует  поле, толкаются и выталкивают друг друга из шара. А там где их недостаток, соответственно происходит что-то наподобие вакуума, который пытается втянуть в себя эти электроны. Это наглядный пример разности потенциалов и не что иное как напряжение между ними. Но, стоит только эти железные шары соединить между собой, как произойдёт обмен и напряжение пропадёт, поскольку образуется нейтральность.

Грубо говоря, эта сила стремления заряженных частиц, перейти от более заряженных частей к менее заряженным между двумя точками и будет разностью потенциалов. Давайте мысленно представим провода, которые подключены к батарейке от обычного карманного фонарика. В самой батарейке происходит химическая реакция, в результате которой возникает избыток электронов («-»), внутри батареи они выталкиваются на отрицательную клемму. Эти электроны стремятся, вернутся на своё место, откуда их до этого и вытолкали.

Внутри батареи у них не получается, значит остаётся ждать момента, когда им сделают мостик в виде электрического проводника и по которому они быстро перебегут на плюсовую клемму батареи, куда их притягивает. А пока мостика нет, то и будет желание перейти в виде этого самого электрического напряжения или разности потенциалов (напряжение тока).

Приведу некоторый аналогичный пример на ином представлении. Имеется обычный водопроводный кран с водой. Кран закрыт и, следовательно, вода не пойдёт из него, но внутри вода всё равно есть и более того, она там находится под некоторым давлением, она из-за этого давления стремится вырваться наружу, но ей мешает закрытый кран. И как только Вы повернёте ручку краника, вода тут же побежит. Так вот это давление и можно приблизительно сравнить с напряжением, а воду с заряженными частицами. Сам поток воды будет в данном примере выступать как электрический ток в самих проводах, а закрытый краник в роли электрического выключателя. Этот пример я привел только лишь для наглядности, и он не является полной аналогией!

Как ни странно, но люди не тесно связанные с профессией электрика, довольно часто называют электрическое напряжение , выражением напряжение тока и это является неправильной формулировкой, поскольку напряжение, как мы выяснили это разность потенциалов электрических зарядов, а ток, это сам поток этих заряженных частиц. И получается что, произнося напряжение тока в итоге небольшое несоответствие самого понятия.

Напряжение, так же как и все иные величины, имеет свою единицу измерения. Она измеряется в Вольтах. Это те самые вольты, которые пишутся на устройствах и источниках питания. Например, в обычной домашней розетки 220 В, или купленная вами батарейка с напряжением 1.5 В. В общем, думаю, вы поняли в общих чертах, что же такое это самое электрическое напряжение. В этой статье я основывался лишь на простом понимании этого термина и не вдавался в глубины формулировок и формул, чтобы не усложнять понимание. На самом деле эту тему можно гораздо шире изучить, но это уже зависит от Вас и Вашего желания.

P.S. Будьте внимательны при работе с электричеством, высокое напряжение опасно для жизни.

Изготовление дросселя в Санкт-Петербурге

Трансформаторы и моточные изделия

Дроссель – элемент электрической цепи, который на сегодняшний момент используется практически в любой электрической схеме. Предназначен он для подавления переменной составляющей тока в цепи, регулирования силы тока и ограничения сигналов различной частоты. Простыми словами, это прибор, уменьшающий напряжение. В отличие от обычных резисторов это элемент имеет значительные преимущества, так как значительно экономит электроэнергию и сильно не нагревается.

Для постоянного тока дроссель не является ни регулирующим элементом, ни сопротивлением. В цепи переменного тока дроссель выступает ограничителем или индуктивным сопротивлением. В импульсных блоках питания этот элемент призван блокировать резкие всплески от трансформатора, пропуская сглаженное напряжение. Также этот элемент электрической схемы используют в электрических сетях, но в случае с последними, дроссели выполняют роль реакторов. Таким образом, по величине напряжения существует несколько видов дросселей:

• низковольтные;
• высоковольтные
• токоограничивающие реакторы (приборы, которые ограничивают ток короткого замыкания).

Изготовление дросселя осуществляется строго по техническому заданию в соответствии с проектной документацией и ГОСТами. Визуально дроссель выглядит в виде обычной катушки из провода, намотанного на сердечник с магнитопроводом (или, в случае высоких частот – без корпуса) и работает по принципу электрического трансформатора. От трансформатора дроссель отличается количеством обмоток и наличием магнитного зазора.

Где применяется дроссель

Дроссели имеют широкое применение в самых различных устройствах и приборах. Как правило, дроссели используются в сглаживающих фильтрах и различных селективных цепях.

Изготовление дросселя выполняется с учетом множества характеристик, например, требуемого значения индуктивности, максимального тока катушки и т.д. Конструкция дросселя зависит от свойств материала магнитопровода, его конфигурации и числа витков катушки.

В качестве примера применения дросселя можно привести осветительные приборы. Без дросселя не будет работать ни один бытовой светильник, офисная лампа или уличный фонарь. Этот элемент отвечает за их включение и нормальную работу. В различных электрических приборах дроссель ограничивает напряжение, которое попадает в колбу газоразрядной лампы. Кроме того, дроссель создаёт пусковое напряжение, которое требуется для образования электрического разряда между электродами. По такой схеме зажигается люминесцентный источник света.

Изготовление дросселей на заказ

На нашем предприятии вы можете заказать разработку и производство дросселей различного предназначения с любыми характеристиками по техническому заданию заказчика.

В процессе изготовления дросселей осуществляется обязательная пропитка производимого оборудования современными полимерными компаундами.

Высокая квалификация специалистов и многолетний опыт работы предприятия позволяют выполнять заказы на изготовление дросселей различных конфигураций, как в штучных экземплярах, так и в рамках серийного производства.

Оснащению оборудования на предприятии уделяется повышенное внимание. Выпускаемая продукция ПАО «Прибой» является одной из самых надежных в России, также не уступает по качеству и безопасности иностранным аналогам.

Мы работаем только с лучшими материалами и проверенными поставщиками.

Преимущества изготовления дросселей на заказ на производственном предприятии «Прибой»:

• гарантия качественного, долговечного и безопасного оборудования, которое будет использоваться многие годы;
• в работе используем высокоточные станки с программным управлением;
• полная безопасность производимого оборудования, соответствие ГОСТам;
• производство оборудования, совместимого со всеми типами преобразователей частоты;
• возможность производства нестандартных габаритов;
• производство любого количества продукции – от индивидуальных заказов до серийных тиражей;
• оптимальные цены, индивидуальный подход и оперативность при исполнении заказа.

Закон Ома простыми словами | Статьи ЦентрЭнергоЭкспертизы

Из школьного курса физики многим из нас наверняка известен закон Ома, хотя для большинства это знание не дает гарантии его понимания. Тем не менее, он является базовым для всех людей связанных с электрикой и электроникой, поэтому попробуем найти простое объяснение одному из главных законов электротехники. Для начала попробуем разобраться с основными понятиями физики, характеризующими простейшую электрическую цепь.

1. Электрический ток можно представить в виде потока свободных заряженных частиц (электронов), протекающих в проводнике. Чем большее количество электронов проходит через него за единицу времени, тем больше сила тока I, физическая величина, измеряемая в амперах (А).
2. Движение свободных электронов не происходит само по себе, оно обусловлено разностью потенциалов, приложенных к обоим концам проводника и определяющих другую физическую величину – напряжение.
   Чем выше величина напряжения U, измеряемого в вольтах (В) тем больше поток электронов.
3. В процессе движения свободные электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла проводника, вызывая его разогрев. «Потревоженные» атомы оказывают дополнительное препятствие передвижению заряженных частиц, такое свойство материалов, через которые вынужден протекать ток, называется электрическим сопротивлением R и измеряется в омах (Ом).

Итак, мы подошли непосредственно к закону, открытому эмпирическим путем немецким физиком Георгом Симоном Омом, имя которого закон и носит.

Суть и разнообразие формулировок закона

Как становится очевидным, Ом вывел взаимную зависимость напряжения, силы тока и сопротивления нагрузки для участка цепи (коим, собственно, эта нагрузка является), которая оказалась фундаментальным физическим законом. Согласно ему сила тока, протекающая через участок цепи, пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка:

I = U/R,

в иной интерпретации он выглядит как:

U = I·R или R = U/I.

Эти простейшие физические формулы справедливы для участка цепи питаемого постоянным током, в несколько видоизмененном виде законы Ома действительны для полной (замкнутой) цепи или для любых электрических цепей, питаемых переменным током.

Для полной цепи необходимо учитывать как сопротивление нагрузки, так и включенное с ним последовательно внутреннее сопротивление источника питания r, величина напряжения при этом равна ЭДС источника ε. Закон Ома в этом случае выглядит как:

I = ε⁄(R+r)·

В случае переменного тока приходится учитывать реактивный характер нагрузок, поэтому активное сопротивление R следует заменить полным сопротивлением Z, учитывающим реактивные составляющие.

Чтобы понять суть закона, на практике часто приводят примеры из гидравлики, где:

• роль напряжения исполняет водонапорная башня;
• роль тока поток воды в отводящей трубе;
• аналог сопротивления диаметр самой трубы.

Легко представить, что чем выше резервуар с водой, тем больше потенциальная энергия ею запасенная (аналог напряжения) и тем сильнее будет напор жидкости в трубе (сила тока), определяющий расход. Кроме того на расход жидкости влияет диаметр трубы (аналог сопротивления) – чем он меньше (сопротивление выше) тем меньше расход.

Запомнить формулы закона Ома для участка цепи проще воспользовавшись треугольником Ома, разбитым на три части. В верхней, представляющей собой числитель находится U, в разбитом надвое знаменателе (нижняя часть) расположены I и R. Прикрывая искомую величину, мы получаем формулу для ее определения.

Смотрите также другие статьи :

Как сопротивление влияет на падение напряжения?

Предположим такой отрезок кабеля понадобится для питания нагрузки током в 10 А, соответственно падение напряжения на кабеле составит почти 12 В. Для сети 220 В такая разница мало критична и в худшем случае может грозить незначительная потеря мощности.

Подробнее…

На что влияет направление вращения фаз

По сути, это направление, в котором должно вращаться магнитное поле, определяющее направление вращения ротора в трехфазных асинхронных электродвигателях. На практике мы видим, что направление вращения ротора в асинхронных двигателях очень просто поменять переменой всего двух фаз местами, при этом меняется чередование фаз с прямой на обратную последовательность.

Подробнее…

Отличие переменного тока от постоянного простыми словами. Чем отличается постоянный электрический ток от переменного

Электрическим током называют направленное, упорядоченное движение заряженных частиц.

Постоянный ток имеет устойчивые свойства и направление движения заряженных частиц, которые не изменяются со временем. Он используется многими электрическими устройствами в домах, а также в автомобилях. От постоянного тока работают современные компьютеры, ноутбуки, телевизоры и многие другие устройства. Для преобразования переменного тока в постоянный используются специальные блоки питания и трансформаторы напряжения .

Все электрические устройства и электрические инструменты, работающие от батарей и аккумуляторов считаются потребителями постоянного тока, так как батарея – это источник постоянного тока, который может быть преобразован в переменный с помощью инверторов.

Разница переменного тока от постоянного

Переменным называют электрический ток, который может изменяться по направлению движения заряженных частиц и величине с течением времени. Важнейшими параметрами переменного тока считаются его частота и напряжение. В современных электрических сетях на разных объектах используется именно переменный ток, имеющий определенное напряжение и частоту. В России в бытовых электросетях ток имеет напряжение 220 В и частоту равную 50 Гц. Частота электрического переменного тока – это число изменений направления движения заряженных частиц за 1 секунду, то есть, при частоте в 50 Гц он меняет направление 50 раз в секунду. Таким образом, отличие переменного тока от постоянного заключается в том, что в переменном заряженные частицы могут менять направление движения.

Источниками переменного тока на объектах различного назначения являются розетки . К розеткам мы подключаем различные бытовые приборы, получающие необходимое напряжение. Переменный ток используется в электрических сетях потому, что величина напряжения может быть преобразована до необходимых значений с помощью трансформаторного оборудования с минимальными потерями. Другими словами, его гораздо проще и дешевле транспортировать от источников электроснабжения до конечных потребителей.

Передача переменного тока потребителям

Путь переменного тока начинается с электростанций, на которых устанавливаются мощнейшие электрические генераторы, из которых выходит электрический ток с напряжением на уровне 220-330 кВ. Через электрические кабели ток идет к трансформаторным подстанциям, устанавливаемым в непосредственной близости от объектов электрического потребления – домов, квартир, предприятий и других сооружений.

Подстанции получают электрический ток с напряжением около 10 кВ и преобразуют его в трехфазное напряжение 380 В. В некоторых случаях на питание объектов идет ток с напряжением 380 В, этого требуют мощные бытовые и производственные приборы, но чаще всего в месте ввода электричества в дом или квартиру, напряжение снижается до привычных нам 220 В.

Преобразование переменного тока в постоянный

Мы уже разобрались с тем, что в розетках бытовых электрических систем находится переменный ток, однако многие современные потребители электричества нуждаются в постоянном. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью специальных выпрямителей. Весь процесс преобразования включает в себя три этапа:

1. Подключение диодного моста с 4-мя диодами необходимой мощности. Такой мост может «срезать» верхние значения синусоид переменного тока или делать движение заряженных частиц однонаправленным.
2. Подключение сглаживающего фильтра или специального конденсатора на выход с диодного моста. Фильтр способен исправить провалы между пиками синусоид переменного тока. Подключение конденсатора серьезно уменьшает пульсации и может довести их до минимальных значений.
3. Подключение стабилизаторов напряжения для снижения пульсаций.

Преобразование тока может осуществляться в обоих направлениях, то есть, из постоянного тоже можно сделать переменный. Но этот процесс значительно сложнее и осуществляется он за счет использования специальных инверторов, которые отличаются высокой стоимостью.

Современный мир уже сложно представить без электричества. Освещение помещений, работа бытовых приборов, компьютеров, телевизоров – все это давно стало привычными атрибутами жизни человека. Но одни электроприборы питаются от переменного тока, тогда как другие – от постоянного.

Электрический ток представляет собой направленный поток электронов от одного полюса источника тока к другому. Если это направление постоянно и не меняется во времени, говорят о постоянном токе. Один вывод источника тока при этом считается плюсовым, второй – минусовым. Принято считать, что ток течет от плюса к минусу.

Классическим примером источника постоянного тока является обычная пальчиковая батарейка. Такие батарейки широко применяются в качестве источника питания в малогабаритной электронной аппаратуре – например, в пультах дистанционного управления, в фотоаппаратах, радиоприемниках и т.д. и т.п.

Переменный ток, в свою очередь, характеризуется тем, что периодически меняет свое направление. Например, в России принят стандарт, согласно которому напряжение в электрической сети равно 220 В, а частота тока составляет 50 Гц. Именно второй параметр и характеризует, с какой частотой изменяется направление электрического тока. Если частота тока равна 50 Гц, то он меняет свое направление 50 раз в секунду.

Значит ли это, что в обычной электрической розетке, имеющей два контакта, периодически меняются плюс с минусом? То есть сначала на одном контакте плюс, на другом минус, потом наоборот и т.д. и т.п.? На самом деле все обстоит немного иначе. Электрические розетки в электросети имеют два вывода: фазовый и заземляющий. Обычно их называют «фазой» и «землей». Заземляющий вывод безопасен, напряжения на нем нет. На фазовом же выводе с частотой 50 Гц в секунду меняются плюс и минус. Если коснуться «земли», ничего не произойдет. Фазового же провода лучше не касаться, так как он всегда находится под напряжением 220 В.

Одни приборы питаются от постоянного тока, другие от переменного. Зачем вообще потребовалось такое разделение? На самом деле большинство электронных приборов используют именно постоянное напряжение, даже если включаются в сеть переменного тока. В этом случае переменный ток преобразуется в постоянный в выпрямителе, в простейшем случае состоящем из диода, срезающего одну полуволну, и конденсатора для сглаживания пульсаций.

Переменный же ток используется только потому, что его очень удобно передавать на большие расстояния, потери в этом случае сводятся к минимуму. Кроме того, он легко поддается трансформации – то есть изменению напряжения. Постоянный ток трансформировать нельзя. Чем выше напряжение, тем ниже потери при передаче переменного тока, поэтому на магистральных линиях напряжение достигает нескольких десятков, а то и сотен тысяч вольт. Для подачи в населенные пункты высокое напряжение снижается на подстанциях, в результате в дома поступает уже достаточно низкое напряжение 220 В.

В разных странах приняты неодинаковые стандарты питающего напряжения. Так, если в европейских странах это 220 В, то в США – 110 В. Интересен и тот факт, что знаменитый изобретатель Томас Эдисон не смог в свое время оценить все преимущества переменного тока и отстаивал необходимость использования в электрических сетях именно постоянного тока. Лишь позже он был вынужден признать, что ошибся.

Июл 22 2017

Изначально люди вообще не знали, что такое ток. Был просто статический заряд, но никто не понимал и не осознавал самой природы электричества.

Понадобились долгие века, пока Кулон разработал свою теорию, а немецкий священник фон Клейн обнаружил, что банка может запасать энергию.

К тому времени, как Ван де Грааф создал свой первый генератор, каждый уже знал, в чем отличие постоянного тока от переменного. А теперь пришла пора и наших читателей обрести для личного пользования эти сведения.

Когда Господь убедился, что бесполезно пугать стадо баранов молниями и громом, он решил продвигать историю несколько другим путём.

В результате человеческое общество пыталось произвести людей путём:

• Занятий физической культурой.
• Развитием искусства.
• Логикой, положившей начало всем наукам.

Так постепенно, шаг за шагом, из зверей получилось нечто более разумное. Сегодня, например, многих шокирует, что в США полицейский может грубо обойтись с негритянкой при аресте, а каких-нибудь 100-200 лет назад африканцев вешали штабелями и считали это примером для подражания.

Нужно сказать, что нравственное развитие общества началось именно в последние десятилетия, когда общество открыто признало фашистов преступниками и начало проповедовать и внедрять так называемые права человека. Наука же развилась гораздо ранее.

Издревле, к примеру, люди видели, что кристалл турмалина притягивает пепел.

Почему так происходит? Следует сказать, что свойства пьезоэлектричества были впервые описаны именно на примере турмалина.

В начала 19-го века было показано, что кристалл, будучи нагрет, приобретает электрический заряд.

За счёт того, что произошла деформация, образовались два полюса:

• Южный (аналогический).
• Северный (антилогический).

Причём, если температура после нагрева остаётся постоянной, то электричество исчезает. Затем появление полюсов наблюдается уже при охлаждении.

Иначе говоря, кристалл турмалина при изменении температуры вырабатывает электричество.

Дальнейшие исследования показали, что размер потенциала зависит от:

1. Поперечного сечения кристалла (среза поперёк полюсов).
2. Разницы температур.

Прочие же факторы никакого влияния на величину заряда не оказывают.

Благодаря чему это происходит? Данное явление получило название пироэлектричества. Являясь диэлектриком, турмалин потихоньку заряжался от тока, текущего внутри. А заряд оставался на месте (определённые участки поверхности) из-за изолирующих свойств.

Таким образом, пока не замкнуть полюса турмалина проводником, кристалл будет копить заряд по мере изменения температуры. Линию, объединяющую полюса назвали пироэлектрической осью.

Пьезоэлектричество было открыто известной парой Кюри на основе того же турмалина в 1880 году.

Было понятно, что при изменении размеров кристалла будут вырабатываться заряды, осталось только придумать методику для проведения опыта.

Кюри использовал для этого статическое давление обычной массы.

Понятно, что весь эксперимент проводится на изолирующей поверхности.

Так например, масса в 1 кг вызывает появление в кристалле турмалина электрического заряда порядка пяти сотых статических единиц.

Как появляется электрический ток

Любопытно, что стройная теория по данному вопросу ещё не создана. Для нас же важно то, что в природе существуют заряды, и разными методами можно их получать.

Во время грозы это получается за счёт сил трения воздушных масс, молекул влаги и некоторых других явлений.

Земля заряжена отрицательно, и вверх постоянно течёт ток через атмосферу.

То есть током называется движение носителей заряда в силу каких-либо причин. И одной из них является разница потенциалов – перепад в уровне носителей между двумя точками пространства.

Можно сравнить это с напором воды. И как только преграда устраняется, поток хлынет в том направлении, где меньше давление.

Теперь возьмём аналогию с кристаллом турмалина

Допустим, появились на его концах заряды, что делать дальше? Нужно вызвать движение, например, медной жилкой провода.

Объединим полюса, и потечёт электрический ток. Движение носителей будет продолжаться до тех пор, пока потенциал не уравняется.

При этом кристалл разряжается. Но постоянный у нас в этом случае ток или переменный? В данном случае нельзя ничего подобного сказать о ходе процесса.

Переменный и постоянный ток являются физическими идеалами, а используются в силу относительной простоты получения математических моделей и управления при помощи них технологическим оборудованием.

Что представляют собой означенные выше понятия?

1. Под постоянным током понимается такой, когда носители текут в одном направлении.

Это не значит, что их количество через сечение среды одинаково. Нет. В более широком смысле постоянным (выпрямленным) током называется именно движения носителей заряда в одном направлении.

Но исходное понятие именно в физике требует более строгих услови

Ток должен быть образован именно постоянным количеством носителей, движущихся в одном направлении.

Причём носители эти положительные (что противоречит практике, где в качестве таковых рассматриваются электроны по большей части).

2. Переменным током называется не просто тот, где носители двигаются то в одном, то в другом направлении, а делают это в такт.

То есть половину периода волна бежит влево, а вторую вправо.

Это образно говоря. Плотность носителей меняется по закону синусоиды.

Собственно, это и есть график, отображающий поведение процесса. В точках перехода через нуль ток отсутствует вовсе.

И происходит это в нашей сети 100 раз в секунду. Следовательно, половина периода выпадает на движение носителей в положительном направлении, а вторая – в отрицательном.

Всего полных циклов в секунду образуется 50, что и соответствует сетевой частоте 50 Гц.

Как дело обстоит на самом деле с электрическим током

На практике форма тока (зависимость плотности зарядов от времени) не является синусоидальной. По разным причинам вид графика искажается.

Это, например, происходит при запуске оборудования и остановке, из-за наведённых помех различной природы.

Таким образом, форма переменного и постоянного тока искажается. Причём давно установлено, что это вредит аппаратуре.

Поскольку для борьбы с подобной напастью требовались какие-то методы, то математики придумали так называемый спектральный анализ.

Многие слышали о чем-то подобном на фондовом рынке, но в данном случае речь скорее о другом: учёные ищут математическую модель, которая относительно легко бы поддавалась расчёту и предсказанию результатов.

Такой способ действительно был найден, и имя ему – спектральный анализ. В этом случае колебание любой формы можно представить в виде суммы с различным удельным весом простейших синусоид разной частоты.

Получается, что по цепи двигается одновременно много-много составляющих. И целом они дают ток.

Причём не обязательно все составляющие двигаются туда же, куда и основная масса.

Можно это представить, как группу муравьёв, каждый из которых тащит в свою сторону, а результирующий эффект заставляет груз перемещаться лишь в одну.

Мы полагаем, нашим читателям это только забьёт голову.

Поэтому, упомянем, что помимо коэффициента (амплитуды) каждая составляющая обладает и фазой (направлением), а именуется гармоникой.

Так вот, каскады техники устроены так, чтобы полезные частоты (прежде всего 50 Гц) проходили внутрь прибора, а все прочее уходило на землю.

Это и есть тот признак для решения проблемы, о которой мы говорили в начале. Любое колебание можно представить в виде набора полезных и вредных сигналов и, исходя из этого, аппаратуру конструировать надлежащим образом.

Например, на этом принципе работают все приёмники: они избирательно пропускают только ток нужной частоты. За счёт этого удаётся отрезать помехи, а волна передаётся с минимальными искажениями на большие расстояния.

Мы могли бы долго говорить на эту тему, но пришла пора привести примеры того, где используются виды токов.

Примеры использования переменного и постоянного тока

Но, в общем и целом, происходит это достаточно плавно. А ток течёт в одном направлении и имеет примерно постоянную плотность.

Аналогично работают:

1. Аккумулятор сотового телефона.
2. Батарейка любого типа.
3. Аккумулятор питания ноутбуков.

Но это все ёмкости, а как же генераторы?

В природе источников постоянного тока за исключением матушки-Земли не имеется.

Человеку гораздо удобнее создавать роторы, которые вращаясь с некоторой частотой, создают условия для образования в катушках статора переменного электрического тока.

Затем промышленная частота 50 Гц проходит по проводам и через подстанцию подаётся на потребителя.

Как бы то ни было, источником постоянного тока можно считать адаптеры. Это устройства, которые выполняют преобразование переменного тока в постоянный.

Допустим, у сотовых телефонов это обычно порядка +5 В, тогда как для мобильных раций существует большой разброс.

В общем и целом нужно понимать, что устройство постоянного тока может функционировать только от того номинала, для которого сконструировано.

В противном случае, либо работоспособность нарушается, либо – при больших отклонениях – возможен полный выход из строя.

Это касается и переменного, и постоянного тока.

Теперь пришла пора сказать, что в промышленности преобразование постоянного тока в переменный и обратно не практикуется.

Из соображений экономии все двигатели работают от трёх фаз. Каждая из них является переменным током частоты 50 Гц.

Но мы говорили выше, что у каждой гармоники имеется фаза. В нашем случае она равна 120 градусов. А круг образуется за счёт 360 градусов. Получается, что все три фазы равно отстоят друг от друга.

Лишь немногие способны реально осознать, что переменный и постоянный ток чем-то отличаются. Не говоря уже о том, чтобы назвать конкретные различия. Цель данной статьи — объяснить основные характеристики этих физических величин в терминах, понятных людям без багажа технических знаний, а также предоставить некоторые базовые понятия, касающиеся данного вопроса.

Сложности визуализации

Большинству людей не составляет труда разобраться с такими понятиями, как «давление», «количество» и «поток», поскольку в своей повседневной жизни они постоянно сталкиваются с ними. Например, легко понять, что увеличение потока при поливе цветов увеличит количество воды, выходящей из поливочного шланга, в то время как увеличение давления воды заставит ее двигаться быстрее и с большей силой.

Электрические термины, такие как «напряжение» и «ток», обычно трудно понять, поскольку нельзя увидеть или почувствовать электричество, движущееся по кабелям и электрическим контурам. Даже начинающему электрику чрезвычайно сложно визуализировать происходящее на молекулярном уровне или даже четко понять, что собой представляет, например, электрон. Эта частица находятся вне пределов сенсорных возможностей человека, ее невозможно увидеть и к ней нельзя прикоснуться, за исключением случаев, когда определенное количество их не пройдет через тело человека. Только тогда пострадавший определенно ощутит их и испытывает то, что обычно называют электрическим шоком.

Тем не менее, открытые кабели и провода большинству людей кажутся совершенно безвредными только потому, что они не могут увидеть электронов, только и ждущих того, чтобы пойти по пути наименьшего сопротивления, которым обычно является земля.

Аналогия

Понятно, почему большинство людей не могут визуализировать то, что происходит внутри обычных проводников и кабелей. Попытка объяснить, что что-то движется через металл, идет вразрез со здравым смыслом. На самом базовом уровне электричество не так сильно отличается от воды, поэтому его основные понятия довольно легко освоить, если сравнить электрическую цепь с водопроводной системой. Основное различие между водой и электричеством заключается в том, что первая заполняет что-либо, если ей удастся вырваться из трубы, в то время как второе для передвижения электронов нуждается в проводнике. Визуализируя систему труб, большинству легче понять специальную терминологию.

Напряжение как давление

Напряжение очень похоже на давление электронов и указывает, как быстро и с какой силой они движутся через проводник. Эти физические величины эквивалентны во многих отношениях, включая их отношение к прочности трубопровода-кабеля. Подобно тому, как слишком большое давление разрывает трубу, слишком высокое напряжение разрушает экранирование проводника или пробивает его.

Ток как поток

Ток представляет собой расход электронов, указывающий на то, какое их количество движется по кабелю. Чем он выше, тем больше электронов проходит через проводник. Подобно тому, как большое количество воды требует более толстых труб, большие токи требуют более толстых кабелей.

Использование модели водяного контура позволяет объяснить и множество других терминов. Например, силовые генераторы можно представить как водяные насосы, а электрическую нагрузку — как водяную мельницу, для вращения которой требуется поток и давление воды. Даже электронные диоды можно рассматривать как водяные клапаны, которые позволяют воде течь только в одну сторону.

Постоянный ток

Какая разница между постоянным и переменным током, становится ясно уже из названия. Первый представляет собой движение электронов в одном направлении. Очень просто визуализировать его с использованием модели водяного контура. Достаточно представить, что вода течет по трубе в одном направлении. Обычными устройствами, создающими постоянный ток, являются солнечные элементы, батареи и динамо-машины. Практически любое устройство можно спроектировать так, чтобы оно питалось от такого источника. Это почти исключительная прерогатива низковольтной и портативной электроники.

Постоянный ток довольно прост, и подчиняется закону Ома: U = I × R. измеряется в ваттах и ​​равна: P = U × I.

Из-за простых уравнений и поведения постоянный ток относительно легко осмыслить. Первые системы передачи электроэнергии, разработанные Томасом Эдисоном еще в XIX веке, использовали только его. Однако вскоре разница в переменном токе и постоянном стала очевидной. Передача последнего на значительные расстояния сопровождалась большими потерями, поэтому через несколько десятилетий он был заменен более выгодной (тогда) системой, разработанной Николой Теслой.

Несмотря на то что коммерческие силовые сети всей планеты в настоящее время используют переменный ток, ирония заключается в том, что развитие технологии сделало передачу постоянного тока высокого напряжения на очень больших расстояниях и при экстремальных нагрузках более эффективной. Что, например, используется при соединении отдельных систем, таких как целые страны или даже континенты. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном. Однако первый по-прежнему используется в низковольтных коммерческих сетях.

Постоянный и переменный ток: разница в производстве и использовании

Если переменный ток намного проще производить с помощью генератора, используя кинетическую энергию, то батареи могут создавать только постоянный. Поэтому последний доминирует в схемах питания низковольтных устройств и электроники. Аккумуляторы могут заряжаться только от постоянного тока, поэтому переменный ток сети выпрямляется, когда аккумулятор является основной частью системы.

Широко распространенным примером может служить любое транспортное средство — мотоцикл, автомобиль и грузовик. Генератор, устанавливаемый на них, создает переменный ток, который мгновенно преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, поскольку в системе электроснабжения присутствует аккумулятор, и большинству электроники для работы требуется постоянное напряжение. Солнечные элементы и топливные ячейки также производят только постоянный ток, который затем при необходимости можно преобразовать в переменный с помощью устройства, называемого инвертором.

Направление движения

Это еще один пример разницы постоянного тока и переменного тока. Как следует из названия, последний представляет собой поток электронов, который постоянно меняет свое направление. С конца XIX века почти во всех бытовых и промышленных электрических всего мира используется синусоидальный переменный ток, поскольку его легче получить и гораздо дешевле распределять, за исключением очень немногих случаев передачи на большие расстояния, когда потери мощности вынуждают использовать новейшие высоковольтные системы постоянного тока.

У переменного тока есть еще одно большое преимущество: он позволяет возвращать энергию из точки потребления обратно в сеть. Это очень выгодно в зданиях и сооружениях, которые производят больше энергии, чем потребляют, что вполне возможно при использовании альтернативных источников, таких как солнечные батареи и ветряные турбины. Тот факт, что переменный ток позволяет обеспечить двунаправленный поток энергии, является основной причиной популярности и доступности альтернативных источников питания.

Частота

Когда дело доходит до технического уровня, к сожалению, объяснить, как работает переменный ток, становится сложно, поскольку модель водяного контура к нему не совсем подходит. Однако можно визуализировать систему, в которой вода быстро меняет направление потока, хотя не понятно, как она при этом будет делать что-то полезное. Переменный ток и напряжение постоянно меняют свое направление. Скорость изменения зависит от частоты (измеряемой в герцах) и для бытовых электрических сетей обычно составляет 50 Гц. Это означает, что напряжение и ток меняют свое направление 50 раз в секунду. Вычислить активную составляющую в синусоидальных системах довольно просто. Достаточно разделить их пиковое значение на √2.

Когда переменный ток меняет направление 50 раз в секунду, это означает, что лампы накаливания включаются и выключаются 50 раз в секунду. Человеческий глаз не может это заметить, и мозг просто верит, что освещение работает постоянно. В этом заключается еще одна разница в переменном токе и постоянном.

Векторная математика

Ток и напряжение не только постоянно меняются — их фазы не совпадают (они несинхронизированные). Подавляющее большинство силовых нагрузок переменного тока вызывает разность фаз. Это означает, что даже для самых простых вычислений нужно применять векторную математику. При работе с векторами невозможно просто складывать, вычитать или выполнять любые другие операции скалярной математики. При постоянном токе, если по одному кабелю в некоторую точку поступает 5A, а по другому — 2A, то результат равен 7A. В случае переменного это не так, потому что итог будет зависеть от направления векторов.

Коэффициент мощности

Активная мощность нагрузки с питанием от сети переменного тока может быть рассчитана с помощью простой формулы P = U × I × cos (φ), где φ — угол между напряжением и током, cos (φ) также называется коэффициентом мощности. Это то, чем отличаются постоянный и переменный ток: у первого cos (φ) всегда равен 1. Активная мощность необходима (и оплачивается) бытовыми и промышленными потребителями, но она не равна комплексной, проходящей через проводники (кабели) к нагрузке, которая может быть рассчитана по формуле S = U × I и измеряется в вольт-амперах (ВА).

Разница между постоянным и переменным током в расчетах очевидна — они становятся более сложными. Даже для выполнения самых простых вычислений требуется, по крайней мере, посредственное знание векторной математики.

Сварочные аппараты

Разница между постоянным и переменным током проявляется и при сварке. Полярность дуги оказывает большое влияние на ее качество. Электрод-позитивная сварка проникает глубже, чем электрод-негативная, но последняя ускоряет наплавление металла. При постоянном токе полярность всегда постоянная. При переменном она меняется 100 раз в секунду (при 50 Гц). Сварка при постоянном предпочтительнее, так как она производится более ровно. Разница в сварке переменным и постоянным током заключается в том, что в первом случае движение электронов на долю секунды прерывается, что приводит к пульсации, неустойчивости и пропаданию дуги. Этот вид сварки используется редко, например, для устранения блуждания дуги в случае электродов большого диаметра.

В чём разница переменного и постоянного тока

Общее понятие электрического тока можно выразить как движение различных заряженных частиц (электронов, ионов) в некотором направлении. А его величину охарактеризовать числом заряженных частиц, которые прошли через проводник за определенный промежуток времени.

Если величина заряженных частиц в 1 кулон проходит через определенное сечение проводника за время в 1 секунду, тогда можно говорить о силе тока в 1 ампер протекающего через проводник. Таким образом определяется количество ампер или сила тока. Это общее понятие тока. А теперь рассмотрим понятие переменного и постоянного тока и их различие.

Постоянный электрический ток по определению — это ток, который течёт только в одном направлением и не меняет его со временем. Переменный ток характерен тем, что меняет свое направление и величину со временем. Если графически постоянный ток отображается как прямая линия, то переменный ток течет по проводнику по закону синуса и графически отображается как синусоида.

Так как переменный ток меняется по закону синусоиды, то он имеет такие параметры как период полного цикла, время которого обозначается буквой Т. Частота переменного тока обратна периоду полного цикла. Частота переменного тока выражается числом полных периодов в определенный промежуток времени (1 сек).

Таких периодов в нашей электросети переменного тока равно 50, что соответствует частоте 50 Гц. F = 1/Т, где период для 50 Гц равен 0,02 сек. F =1/0,02 = 50 Гц. Обозначается переменный ток английскими буквами AC и знаком «~». Постоянный ток имеет обозначение DC и значок «-». Кроме того переменный ток может быть однофазным или многофазным. В основном используется трехфазная сеть.

Почему в сети переменное напряжение, а не постоянное

Переменный ток имеет много преимуществ перед постоянным током. Низкие потери при передаче переменного тока в линиях электропередач (ЛЭП) по сравнению с постоянным током. Генераторы переменного тока простые и дешевые. При передаче на большие расстояния по ЛЭП высокое напряжение достигает 330 тысяч вольт с минимальным током.

Чем меньше ток в ЛЭП, тем меньше потерь. Передача постоянного тока на большие расстояния понесет немалые потери. Также высоковольтные генераторы переменного тока значительно проще и дешевле. Из переменного напряжения легко получить более низкое напряжение через простые трансформаторы.

Также, значительно дешевле получить постоянное напряжение из переменного, чем наоборот, использовать дорогие преобразователи постоянного напряжения в переменное. Такие преобразователи имеют низкий КПД и большие потери. По пути передачи переменного тока используют двойное преобразование.

Сначала с генератора получает 220 — 330 Кв, и передают на большие расстояния до трансформаторов, которые понижают высокое напряжение до 10 Кв и далее идут подстанции которые понижают высокое напряжение до 380 В. С этих подстанций электроэнергия расходится по потребителям и поступает в дома и на электрощиты многоквартирного дома.

Три фазы трехфазного тока сдвинутые на 120 градусов

Для однофазного напряжения характерна одна синусоида, а для трехфазного три синусоиды, смещенные на 120 градусов относительно друг друга. Трехфазная сеть также имеет свои преимущества перед однофазными сетями. Это меньше габариты трансформаторов, электродвигатели также конструктивно меньших размеров.

Имеется возможность изменить направление вращения ротора асинхронного электродвигателя. В трехфазной сети можно получить 2 напряжения — это 380 В и 220 В, которые используются для изменения мощности двигателя и регулировки температуры нагревательных элементов. Используя трехфазное напряжение в освещении можно устранить мерцание люминесцентных ламп, для чего их подключают к разным фазам.

Постоянный ток используется в электронике и во всех бытовых приборах, так как он легко преобразуется из переменного за счёт его деления на трансформаторе до нужной величины и дальнейшего выправления. Источником постоянного тока являются аккумуляторы, батареи, генераторы постоянного тока, светодиодные панели. Как видно различие в переменном и постоянном токе немалое. Теперь мы узнали — Почему в нашей розетки течет переменный ток, а не постоянный?

Как сделать выпрямитель и простейший блок питания

Как сделать выпрямитель и простейший блок питания

Выпрямитель — это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока.

Выпрямитель — это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.

Определение

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.

Различают два типа выпрямителей:

• Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.

• Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.

Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?

Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.

Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.

Выходное напряжение

Основные величины переменного напряжения — амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.

Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.

 

Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:

Uа=Uд*√2

Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:

220*1.41=310

Схемы

Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.

Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.

Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.

Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.

О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.

Их две:

1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;

2. Выпрямитель со средней точкой.

Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:

Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.

Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.

По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.

Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов. 

Сглаживание пульсаций

Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.

Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…

Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.

Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.

Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.

Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:

t=RC,

где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.

Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.

Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.

Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза. 

Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).

Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:

C=3200*Iн/Uн*Kп,

Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.

Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.

Как сделать блок питания своими руками?

Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:

1. Трансформатор;

2. Диодный мост;

3. Конденсатор.

Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью — Как устроен компьютерный блок питания.

Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.

Важно:

У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.

Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.

Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.

Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:

Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.

Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.

Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.

Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:

На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.

Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:

Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.

Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.

Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.

Регулируемые блоки питания

Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.

Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.

Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.

 

В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.

Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.

Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:

Заключение

Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.

Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.

По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.

Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.

Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.

По материалам electrik.info

ПКБ № 5 — Шизофрения

Шизофрения — хроническое психическое заболевание, для которого характерно нарушение единства процессов мышления, при относительно сохранном интеллекте, что сочетается со значительным эмоциональным обеднением и снижением воли. Нередко присоединяются галлюцинаторные и бредовые расстройства.

Сам термин «шизофрения» составлен из двух греческих слов — «шизо» — раскалываю и «френи» — разум рассудок.

Впервые данный термин был применен швейцарским психиатром Эйгеном Блёйлером в 1908г. Шизофрения, конечно же, существовала и раньше, но только к началу XX-века созрело представление о ней как об особой разновидности психозов.

В массовом сознании существует необоснованное отождествление шизофрении с «раздвоением личности» — то есть, фактически, с очень редким психическим расстройством, при котором в одном человеке попеременно активизируются как бы разные «я».

Шизофрения же, к сожалению, встречается довольно часто. Её распространенность среди населения России составляет 35 на 10 000 человек, без существенной разницы между полами. Таким образом, в России не менее полумиллиона больных с этой серьезной патологией.

Шизофрения относится к эндогенным психическим заболеваниям, это значит, что она является внутренней поломкой психики. Её нельзя вызвать какими-либо факторами, действующими на головной мозг извне (травмой, интоксикацией, сильным стрессом). Конечно, перечисленные факторы могут повлиять на скорость развития шизофрении, но не на ее возникновение. Тем не менее, механизм развития шизофренического процесса пока сколько-нибудь точно не установлен. На этот счет существует несколько гипотез. Так, имеются данные о связи шизофрении с нарушением распределения дофамина в центральной нервной системе.

Весьма велика роль наследственности. Так, если один из близнецов заболел шизофренией, то риск заболеть для другого близнеца составляет 17% в разнояцевой паре и 48% в однояйцевой. Тем не менее, считается, что в половине случаев шизофрения возникает от случайной мутации, то есть на основе генетических изменений, которые отсутствовали у родителей и появились уже после зачатия.

Симптоматика может развиться в любом возрасте (возможно, даже внутриутробно), но обычно её начало приурочено к третьему пубертатному кризу, то есть — к возрасту 12 — 18 лет или к последующим нескольким годам (примерно, до 30 лет).

Чаще всего, заболевание начинается с негативных симптомов, связанных с утратой нормального функционирования, — человек без видимой причины меняется по характеру, становится замкнутым, отгороженным, теряет социальные контакты, исчезает эмоциональная теплота в отношении к близким. Пропадают прежние интересы, резко снижается успеваемость в школе или в вузе, либо не выполняются служебные обязанности. Таким образом, с самого начала клинических проявлений есть очень большой риск инвалидизации. В наиболее неблагоприятном варианте, который обозначается как простая шизофрения, больной может целыми днями лежать, смотреть в потолок и при ясном сознании и нормальной физической силе не в состоянии элементарно себя обслужить. Даже при более благоприятных вариантах нарастают нарушения мышления, которые выражаются в наплывах мыслей или в ощущении, что мыслей нет вообще. Рассуждения становятся непродуктивными, нецеленаправленными, формируется двойственное отношение к жизненным явлениям (амбивалентность). Речь отличается витиеватостью, иногда — с неологизмами, которые придумывает сам пациент. При разговоре происходят отвлечения от его темы (соскальзывания), причем не на конкретные детали и обстоятельства, а на «плохое» отношение к больному тех или иных персонажей, либо на глобально-философские темы. Людям, страдающим шизофренией, свойственно с некоторым цинизмом относиться ко многим аспектам окружающего.

У больных бывает тягостное чувство, что все вокруг какое-то измененное, лишено естественности, гармоничности (- дереализация), такие же ощущения могут возникать в отношении своей личности (- деперсонализация). При деперсонализации сознание (но не личность!) словно раздваивается: одна часть его смотрит на происходящее со стороны, а другая испытывает ужас от осознания потери контроля над собой.

Собственные мысли и представления начинают восприниматься как чуждые. По современным воззрениям, именно поэтому при шизофрении бывают вербальные галлюцинации («голоса»), и неудивительно, что для этого заболевания типично звучание «голосов» внутри головы. По той же причине пациенту кажется, что кто-то управляет им извне, вплоть до управления движениями и работой внутренних органов. Реже бывают видения.

Такая нарастающая волна необычных ощущений очень тягостна. Во многих случаях внутреннее напряжение несколько облегчается за счет формирования бредовых идей (быстро — как озарение — происходит кристаллизация бреда). Больному становится вдруг «ясно», что происходящее с ним — это, например, «происки» какой-то «организации», которая с помощью современной аппаратуры осуществляет «воздействие» на него извне (бред преследования, воздействия). Встречается и бред ревности, ущерба. Понятно, что на фабулу переживаний влияет уровень развития общества, в том числе сюжеты популярных произведений литературы и кино.

Вся эта клиническая картина зачастую развивается остро, в виде приступа, который длится от нескольких дней до нескольких месяцев, а затем может повторяться. Приступообразные формы шизофрении более благоприятны, в прогностическом плане, чем непрерывные. Промежутки между приступами бывают очень длительными (иногда — десятки лет), и между ними человек выглядит почти как прежде, до болезни. Но это скорее исключение. Гораздо чаще обострения симптоматики повторяются ежегодно или по нескольку раз в год, и и по выходе из каждого нового приступа, оказывается, что еще слабее стала воля и еще больше поблекли эмоции. Постепенно, в течение многих лет, менее актуальными становятся галлюцинаторные переживания. Параллельно, но также весьма медленно, разваливается бред как система псевдо-логических умозаключений, — от бреда остаются отдельные обрывки. В итоге развивается состояние дефекта, которое напоминает простую шизофрению.

Пациенты либо не признают себя больными, либо имеют противоречивые мысли на этот счет. Как правило, они негативно встречают уговоры близких о необходимости обращения к психиатру. Бывают попытки облегчить свое состояние алкоголем и наркотиками, что только усложняет клиническую картину и ведет к дальнейшей социальной дезадаптации.

Под влиянием приказных «голосов» и на фоне бредовых переживаний возрастает риск общественно-опасных действий больных. Например, известны случаи нападения на мнимых «преследователей». Но гораздо чаще больные с эндогенной психической патологией совершают ООД по другим механизмам, в том числе при влиянии на их поведение алкогольной или наркотической интоксикации, которая накладывается на негативные симптомы.

Шизофрения — это самое частое заболевание среди пациентов в ПКБ №5 г. Москвы.

Часто встречающийся диагноз: «Шизофрения параноидная, эпизодический тип течения с нарастающим дефектом, неполная ремиссия». Клиническая картина при таком диагнозе включает бред и галлюцинации (обычно — бред преследования и вербальные галлюцинации — «голоса»).

Лечение шизофрении включает нейролептики, антидепрессанты, ноотропы. Ведущая роль принадлежит нейролептикам, действие которых направлено, прежде всего на борьбу с бредом и галлюцинациями. На фоне лечения сначала, как правило, притупляется аффективная реакция больного на свои же переживания, — он становится спокойнее, проходит психомоторное возбуждение. Затем уменьшаются по интенсивности или совсем уходят галлюцинации. Все эти положительные сдвиги становятся заметными уже в первые дни применения нейролептиков. Но фабула (то есть, сюжет) бреда может задержаться надолго, хотя в картине внутренних переживаний она значительно блекнет по актуальности. После купирования острой симптоматики на первый план выходит задача: как уменьшить негативную симптоматику и устранить психопатоподобные (то есть — как при психопатиях) нарушения поведения. В этом помогают нейролептики последних поколений, такие как оланзапин, палиперидон, рисперидон. Уже на этом этапе стоит думать о реабилитации пациента. Вопреки бытовавшему ранее мнению, психотерапия этим больным показана, и она помогает укреплению ремиссии и ресоциализации. Хорошим прогностическим признаком является участие больного в физическом труде, который, сам по себе, приносит значительный лечебный эффект.

Хотя шизофрения — очень грозное заболевание, но это — не приговор. Ввиду частичной сохранности отдельных способностей (особенно интеллектуальных) и нестандартности мышления у многих таких больных имеется значительный творческий потенциал, что видно, в том числе, по работам, представляемым на фестиваль искусств «Нить Ариадны».

Определение, объяснение, примеры и значение

Проще говоря, поверхностное натяжение — это тенденция молекул жидкости притягиваться больше друг к другу на поверхности жидкости, чем к воздуху над ней.

Представьте, что ваш любимый бармен наливает пинту и хочет убедиться, что у вас есть полный стакан. Когда она протягивает вам бутылку, кажется, что сверху идет пиво. Вы опускаетесь до уровня пинты, и, конечно же,… появляется крошечная выпуклость пива, которая, кажется, поднимается выше края стакана.

Вы встряхиваетесь, думая, что, возможно, это должен быть ваш последний напиток за ночь, но на самом деле вы только что стали свидетелями действия поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение — это загадочный и довольно увлекательный аспект жидкой материи, о котором многие слышали, но, возможно, не до конца понимают. Давайте познакомимся с этим замечательным природным явлением с самого начала.

Что такое поверхностное натяжение?

Проще говоря, поверхностное натяжение — это тенденция молекул жидкости притягиваться больше друг к другу на поверхности жидкости, чем к воздуху над ней.Это притяжение молекул друг к другу известно как межмолекулярная сила. В любом жидком веществе молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении и постоянно меняются местами. В среде жидкости все молекулы тянутся другими молекулами во всех направлениях. Однако на поверхности, где над жидкостью находится только воздух, молекулы тянутся только сбоку и вниз молекулами, находящимися рядом и под ними, соответственно.

(Фото предоставлено magnetix / Shutterstock)

Это нисходящее притяжение молекул на уровне поверхности заставляет их плотнее прижиматься друг к другу, сжимаясь в более стабильную, выровненную структуру.Этот более плотный ряд поверхностных молекул образует что-то вроде эластичной мембраны на поверхности жидкости. Молекулы расположены более плотно и плавно выстраиваются рядом друг с другом, в отличие от более хаотичного расположения молекул ниже.

Прочность этой «эластичной мембраны» зависит от типа жидкости. Вода, например, имеет очень высокое поверхностное натяжение, потому что кислород и водород — два химических компонента воды (h3O) — имеют частичный отрицательный и положительный заряды соответственно и, таким образом, притягиваются ко всем другим молекулам воды, окружающим их.Водородные связи известны своей прочностью, поэтому вода, как правило, удерживается на поверхности даже лучше, чем другие жидкости, образуя экран, который может быть удивительно трудно сломать.

Почему важно поверхностное натяжение?

Хотя это свойство жидкостей, безусловно, интересно, оно не играет большой роли в нашей повседневной жизни, но именно в этом вы ошибаетесь. Помимо просмотра классных видеороликов, в которых идеально круглые капли воды падают в замедленном темпе (еще один пример поверхностного натяжения) или водомеры, скользящие по поверхности озера со скоростью 2 метра в секунду, почему поверхностное натяжение имеет значение?

Водомеры.(Фото: Ян Мико / Shutterstock)

В некоторых отраслях промышленности поверхностное натяжение является более простым показателем загрязнения продукции. Поскольку поверхностное натяжение определяется на молекулярном уровне, любое изменение составляющих жидкостей, поверхностно-активных веществ, топлива или соединений в жидкости приведет к изменению поверхностного натяжения. Если известно поверхностное натяжение идеально чистого состава, любое отклонение от него выявит некоторый уровень загрязнения. Это может показаться абстрактным применением поверхностного натяжения, но оно показывает, как даже самые простые вещи могут оказать наибольшее влияние на науку.Интересно, что влияние примесей на поверхностное натяжение было впервые обнаружено Агнес Покельс — женщиной, увлеченной физикой, но не имеющей доступа к образованию — когда мыла посуду на своей кухне!

Как упоминалось ранее, поверхностное натяжение важно для водомерок, одного из немногих существ, которые могут перемещаться по поверхности воды, не падая в воду. Это явление вызвано тем, что ноги страйдера «не смачиваются», а это означает, что ноги страйдера отталкиваются вода и захватывают воздух, что позволяет им существенно вдавить поверхность воды, не нарушая ее.Волосы также увеличивают площадь поверхности водомеров, что означает, что к поверхности воды прилагается меньшая сила. Это ошеломляющее сочетание тонкой силы и идеальной адаптации.

Но самое главное — и это то, что мало кто осознает, — поверхностное натяжение позволяет вещам плавать, от листьев и семян до молекул и белков. Если перейти к микроскопическим масштабам, поверхность любого водоема очень живая и поддерживается поверхностным натяжением молекул воды.Наши экосистемы не смогли бы выжить или даже развиваться без действия поверхностного натяжения, а сам состав воды был бы менее стабильным, постоянно переходя в газообразное состояние и выходя из него. Да, хотите верьте, хотите нет, но поверхностное натяжение может быть единственной причиной, по которой жизнь, как мы знаем, сумела выжить так долго!

Заключительное слово

Статьи по теме

Статьи по теме

Поверхностное натяжение — одна из тех деталей научного мира, которую трудно представить или оценить в повседневной жизни, но на самом деле оно лежит в основе всей жизни, какой мы ее знаем.Поверхностное натяжение позволяет экосистемам процветать, оно позволяет семенам и молекулам плавать, а также является движущей силой большей части жизни, хотя большинство людей не замечают этого. Он также является интригующим напоминанием о том, насколько сложной и замечательной является каждая капля воды. В следующий раз, когда вы надуете мыльный пузырь или капнете каплю воды с кончика листа, помните, что единственное, что делает возможными эти маленькие чудеса, — это поверхностное натяжение!

Факты о поверхностном натяжении для детей

Механика

Реология Вязкоупругость Интеллектуальные жидкости: Магнитореологические Электрореологические Феррожидкие жидкости Реометрия · Реометр

Поверхностное натяжение — это эффект сильной поверхности жидкости.Поверхность может выдерживать вес, а поверхность капли воды удерживает каплю вместе в форме шара. Некоторые мелкие предметы могут плавать на поверхности из-за поверхностного натяжения, хотя обычно они не могут плавать. Некоторые насекомые (например, водомерки) могут бегать по поверхности воды из-за этого. Это свойство вызвано притяжением молекул в жидкости друг к другу (когезией) и отвечает за многие из поведения жидкостей.

Поверхностное натяжение имеет размерность силы на единицу длины или энергии на единицу площади.Эти два понятия эквивалентны — но когда говорят об энергии на единицу площади, люди используют термин «поверхностная энергия», который является более общим термином в том смысле, что он применим также к твердым телам, а не только к жидкостям.

В материаловедении поверхностное натяжение используется для определения поверхностного напряжения или поверхностной свободной энергии.

Причины

Схема сил, действующих на молекулы в жидкости Поверхностное натяжение предотвращает погружение скрепки в воду.

Силы сцепления между молекулами жидкости вызывают поверхностное натяжение.В объеме жидкости каждая молекула одинаково притягивается во всех направлениях соседними молекулами жидкости, в результате чего результирующая сила равна нулю. Молекулы на поверхности не имеют других молекул со всех сторон и поэтому притягиваются внутрь. Это создает некоторое внутреннее давление и заставляет жидкие поверхности сжиматься до минимальной площади.

Поверхностное натяжение отвечает за форму жидких капель. Хотя капли воды легко деформируются, они имеют тенденцию принимать сферическую форму за счет сил сцепления поверхностного слоя.В отсутствие других сил, включая гравитацию, капли практически всех жидкостей были бы идеально сферическими. Сферическая форма минимизирует необходимое «пристенное натяжение» поверхностного слоя в соответствии с законом Лапласа.

Еще один способ взглянуть на это с точки зрения энергии. Молекула в контакте с соседом находится в более низком энергетическом состоянии, чем если бы она была одна (не в контакте с соседом). Внутренние молекулы имеют столько соседей, сколько они могут иметь, но граничные молекулы не имеют соседей (по сравнению с внутренними молекулами).Итак, граничные молекулы имеют более высокую энергию. Чтобы жидкость минимизировала свое энергетическое состояние, необходимо минимизировать количество граничных молекул с более высокой энергией. Минимальное количество граничных молекул приводит к минимальной площади поверхности.

В результате минимизации площади поверхности поверхность примет максимально гладкую форму. Любая кривизна формы поверхности приводит к увеличению площади и большей энергии. Таким образом, поверхность будет отталкиваться от любой кривизны почти так же, как мяч, толкаемый вверх по склону, будет отталкиваться, чтобы минимизировать свою потенциальную энергию гравитации.

Воздействие в повседневной жизни

Вода

Изучение воды показывает несколько эффектов поверхностного натяжения:

А . Дождевая вода образует шарики на восковой поверхности, например на листе. Вода слабо прилипает к воску и сильно прилипает к самому себе, поэтому вода собирается в капли. Поверхностное натяжение придает им форму, близкую к сферической, потому что сфера имеет наименьшее возможное отношение площади поверхности к объему.

Б . Образование капель происходит при растяжении массы жидкости.Анимация показывает, как вода, приставшая к крану, набирает массу, пока не растягивается до точки, в которой поверхностное натяжение больше не может связывать ее с краном. Затем он отделяется, и поверхностное натяжение превращает каплю в сферу. Если бы из крана текла струя воды, при падении струя разбилась бы на капли. Гравитация растягивает ручей, а затем поверхностное натяжение сжимает его в сферы.

С . Объекты, более плотные, чем вода, все еще плавают, когда объект не смачивается и его вес достаточно мал, чтобы выдерживать силы, возникающие из-за поверхностного натяжения.Например, водомерки используют поверхностное натяжение, чтобы ходить по поверхности пруда. Поверхность воды ведет себя как эластичная пленка: ноги насекомого вызывают вмятины на поверхности воды, увеличивая ее площадь.

Д . Разделение масла и воды (в данном случае воды и жидкого воска) вызвано поверхностным натяжением разнородных жидкостей. Этот тип поверхностного натяжения называется «межфазным натяжением», но его физика такая же.

Е .Слезы вина — это образование капель и ручейков на стенке бокала с алкогольным напитком. Его причина — сложное взаимодействие между различными поверхностными натяжениями воды и этанола. Это вызвано комбинацией модификации поверхностного натяжения воды этанолом вместе с этанолом, испаряющимся быстрее, чем вода.

• А. Бисероплетение на листе

• Б. Капает вода из крана

• Д. Лавовая лампа с взаимодействием разнородных жидкостей; вода и жидкий воск

• E. Фотография, показывающая феномен «винных слез».

ПАВ

Поверхностное натяжение проявляется в других распространенных явлениях, особенно когда для его уменьшения используются поверхностно-активные вещества:

• Мыльные пузыри имеют очень большую площадь поверхности при очень небольшой массе. Пузыри в чистой воде нестабильны. Однако добавление поверхностно-активных веществ может иметь стабилизирующий эффект на пузырьки (см. Эффект Марангони).Обратите внимание, что поверхностно-активные вещества фактически снижают поверхностное натяжение воды в три или более раз.
• Эмульсии — это раствор, в котором поверхностное натяжение играет роль. Крошечные фрагменты нефти, взвешенные в чистой воде, спонтанно собираются в гораздо более крупные массы. Но присутствие поверхностно-активного вещества обеспечивает снижение поверхностного натяжения, что обеспечивает стабильность мельчайших капель масла в объеме воды (или наоборот).

Основы физики

Два определения

На схеме в поперечном сечении изображена игла, плавающая на поверхности воды.Его вес, F _w , вдавливает поверхность и уравновешивается силами поверхностного натяжения с обеих сторон, F _s , каждая из которых параллельна поверхности воды в точках контакта с иглой. Обратите внимание, что горизонтальные компоненты двух стрелок F _s указывают в противоположных направлениях, поэтому они компенсируют друг друга, но вертикальные компоненты указывают в одном направлении и, следовательно, складываются для баланса F _w .

Поверхностное натяжение, обозначенное символом γ , определяется как сила вдоль линии единичной длины, где сила параллельна поверхности, но перпендикулярна линии.Один из способов представить это — представить плоскую мыльную пленку, ограниченную с одной стороны натянутой нитью длиной L . Нить будет тянуться к внутренней части пленки с силой, равной 2 L (коэффициент 2 равен тому, что мыльная пленка имеет две стороны, следовательно, две поверхности). Поэтому поверхностное натяжение измеряется в силах на единицу длины. Его единица СИ — ньютон на метр, но также используется единица СГС — дин на см. Один дин / см соответствует 0,001 Н / м.

Эквивалентное определение, используемое в термодинамике, — это работа на единицу площади.Таким образом, для увеличения площади поверхности массы жидкости на величину, δA , необходимо количество работы, δA . Эта работа сохраняется в виде потенциальной энергии. Следовательно, поверхностное натяжение можно также измерить в системе СИ как джоуль на квадратный метр и в системе СГС как эрг на см ² . Поскольку механические системы пытаются найти состояние минимальной потенциальной энергии, свободная капля жидкости естественным образом принимает сферическую форму, которая имеет минимальную площадь поверхности для данного объема.

Эквивалентность измерения энергии на единицу площади и силы на единицу длины может быть доказана анализом размеров.

Кривизна поверхности и давление

Силы поверхностного натяжения, действующие на крошечный (дифференциальный) участок поверхности. δθ _x и δθ _y указывают величину изгиба по размерам заплатки. Уравновешивание сил натяжения и давления приводит к уравнению Юнга – Лапласа

Если никакая сила не действует перпендикулярно натянутой поверхности, поверхность должна оставаться плоской.Но если давление на одной стороне поверхности отличается от давления на другой стороне, разница давлений, умноженная на площадь поверхности, дает нормальную силу. Чтобы силы поверхностного натяжения нейтрализовали силу давления, поверхность должна быть искривленной. На диаграмме показано, как кривизна поверхности крошечного участка поверхности приводит к суммарной составляющей сил поверхностного натяжения, действующих перпендикулярно центру пятна. Когда все силы уравновешены, результирующее уравнение известно как уравнение Юнга – Лапласа:

где:

• Δ p — перепад давления.
• — поверхностное натяжение.
• R _x и R _y — это радиусы кривизны в каждой из осей, параллельных поверхности.

Величина в скобках справа фактически (в два раза) превышает среднюю кривизну поверхности (в зависимости от нормализации).

Решения этого уравнения определяют форму водяных капель, луж, менисков, мыльных пузырей и все другие формы, определяемые поверхностным натяжением.(Другой пример — форма отпечатков ступней водомета на поверхности пруда).

В таблице ниже показано, как внутреннее давление капли воды увеличивается с уменьшением радиуса. Для не очень маленьких капель эффект незначителен, но разница в давлении становится огромной, когда размер капель приближается к размеру молекулы. (В пределах одной молекулы концепция теряет смысл.)

Δ p для капель воды разного радиуса по СТП
Радиус капли	1 мм	0.1 мм	1 мкм	10 нм
Δ p (атм)	0,0014	0,0144	1,436	143,6

Поверхность жидкости

Трудно найти форму минимальной поверхности, ограниченной каким-либо каркасом произвольной формы, используя только математику. Тем не менее, если сделать каркас из проволоки и окунуть его в мыльный раствор, в полученной мыльной пленке в течение нескольких секунд появится локально минимальная поверхность.

Причина этого в том, что разность давлений на границе раздела текучей среды пропорциональна средней кривизне, как видно из уравнения Юнга-Лапласа. Для открытой мыльной пленки перепад давления равен нулю, следовательно, средняя кривизна равна нулю, а минимальные поверхности обладают свойством нулевой средней кривизны.

Углы контакта

Основная страница: Угол контакта

Поверхность любой жидкости — это граница раздела между этой жидкостью и некоторой другой средой. Например, верхняя поверхность пруда — это поверхность раздела между водой пруда и воздухом.Таким образом, поверхностное натяжение — это свойство не только жидкости, а свойство границы раздела жидкости с другой средой. Если жидкость находится в контейнере, то помимо поверхности раздела жидкость / воздух на его верхней поверхности существует также поверхность раздела между жидкостью и стенками контейнера. Поверхностное натяжение между жидкостью и воздухом обычно отличается (больше) его поверхностного натяжения со стенками емкости. Там, где две поверхности встречаются, геометрия уравновешивает все силы.

Усилия в точке контакта показаны для угла контакта более 90 ° (слева) и менее 90 ° (справа)

Там, где две поверхности встречаются, они образуют контактный угол, который представляет собой угол, который касательная к поверхности образует с твердой поверхностью.На диаграмме справа показаны два примера. Силы натяжения показаны для границы раздела жидкость-воздух, границы раздела жидкость-твердое тело и границы раздела твердое тело-воздух. В примере слева разница между поверхностным натяжением жидкость-твердое тело и твердое тело-воздух, меньше, чем поверхностное натяжение жидкость-воздух, но все же положительная, то есть

.

На схеме как вертикальные, так и горизонтальные силы должны уравновешиваться точно в точке контакта, известной как равновесие.Горизонтальная составляющая компенсируется силой сцепления.

Однако более важный баланс сил находится в вертикальном направлении. Вертикальная составляющая должна точно нейтрализовать силу.

Поскольку силы прямо пропорциональны их поверхностному натяжению, мы также имеем:

где

• — поверхностное натяжение жидкость-твердое тело,
• — поверхностное натяжение жидкость-воздух,
• — поверхностное натяжение твердого воздуха,
• — это угол контакта, при котором вогнутый мениск имеет угол контакта менее 90 °, а выпуклый мениск имеет угол контакта более 90 °.

Это означает, что, хотя разницу между поверхностным натяжением жидкость-твердое тело и твердое тело-воздух трудно измерить напрямую, ее можно вывести из поверхностного натяжения жидкость-воздух, и равновесного краевого угла смачивания, который является функция легко измеримых углов смачивания и отвода (см. угол смачивания основного изделия).

Такая же взаимосвязь существует на диаграмме справа. Но в этом случае мы видим, что, поскольку угол смачивания меньше 90 °, разница поверхностного натяжения жидкость-твердое тело / твердое тело-воздух должна быть отрицательной:

Специальные углы контакта

Обратите внимание, что в особом случае границы раздела вода-серебро, когда угол смачивания равен 90 °, разница поверхностного натяжения жидкость-твердое тело / твердое тело-воздух точно равна нулю.

Другой особый случай — угол контакта точно 180 °. К этому подходит вода со специально подготовленным тефлоном. Угол контакта 180 ° возникает, когда поверхностное натяжение жидкость-твердое тело в точности равно поверхностному натяжению жидкость-воздух.

Методы измерения

Поверхностное натяжение можно измерить методом подвесной капли на гониометре.

Поскольку поверхностное натяжение проявляется в различных эффектах, он предлагает несколько способов его измерения.Выбор оптимального метода зависит от природы измеряемой жидкости, условий измерения ее натяжения и устойчивости ее поверхности при ее деформации.

• Метод Du Noüy Ring: традиционный метод измерения поверхностного или межфазного натяжения. Смачивающие свойства поверхности или границы раздела мало влияют на этот метод измерения. Измеряется максимальное усилие, прилагаемое к кольцу поверхностью.
• Метод Дю Ную-Паддея. В минимизированной версии метода Дю Ную используется металлическая игла малого диаметра вместо кольца в сочетании с высокочувствительными микровесами для регистрации максимального усилия.Преимущество этого метода заключается в том, что очень маленькие объемы образца (до нескольких десятков микролитров) могут быть измерены с очень высокой точностью без необходимости корректировки плавучести (для иглы или, точнее, стержня с правильной геометрией). Кроме того, измерение может быть выполнено очень быстро, минимум за 20 секунд. Первые коммерческие многоканальные тензиометры [CMCeeker] были недавно построены на основе этого принципа.
• Пластинчатый метод Вильгельми: универсальный метод, особенно подходящий для проверки поверхностного натяжения в течение длительных интервалов времени.К весам прикрепляют вертикальную пластину известного периметра и измеряют силу, обусловленную смачиванием.
• Метод вращающейся капли: этот метод идеально подходит для измерения низкого межфазного натяжения. Диаметр капли в тяжелой фазе измеряется при вращении обеих.
• Метод подвесной капли: с помощью этого метода можно измерить поверхностное и межфазное натяжение даже при повышенных температурах и давлениях. Геометрия капли анализируется оптически. Подробнее см. Drop.
• Метод давления пузыря (метод Йегера): метод измерения для определения поверхностного натяжения при коротком поверхностном возрасте.Измеряется максимальное давление каждого пузырька.
• Метод объема капли: метод определения межфазного натяжения как функции возраста границы раздела фаз. Жидкость одной плотности перекачивается во вторую жидкость другой плотности, и измеряется время между появлением капель.
• Метод капиллярного подъема: конец капилляра погружается в раствор. Высота, на которой раствор достигает внутри капилляра, связана с поверхностным натяжением уравнением, обсуждаемым ниже.
• Сталагмометрический метод: метод взвешивания и считывания капель жидкости.
• Метод слабой капли: метод определения поверхностного натяжения и плотности путем размещения капли на подложке и измерения краевого угла смачивания (см. «Методика слабой капли»).
• Частота колебаний левитирующих капель: поверхностное натяжение сверхтекучей жидкости ⁴ He было измерено путем изучения собственной частоты колебательных колебаний капель, удерживаемых в воздухе с помощью магнетизма. Это значение оценивается в 0,375 дин / см при Т = 0 ° К.

Эффекты

Жидкость в вертикальной трубке

Основная статья: Капиллярное действие Схема ртутного барометра

Ртутный барометр старого образца состоит из вертикальной стеклянной трубки диаметром около 1 см, частично заполненной ртутью, и с вакуумом (так называемым вакуумом Торричелли) в незаполненном объеме (см. Диаграмму справа).Обратите внимание, что уровень ртути в центре трубки выше, чем по краям, что делает верхнюю поверхность ртути куполообразной. Центр масс всего столбика ртути был бы немного ниже, если бы верхняя поверхность ртути была бы плоской по всему поперечному сечению трубки. Но куполообразный верх дает немного меньшую площадь поверхности всей массе ртути. Снова два эффекта объединяются, чтобы минимизировать общую потенциальную энергию. Такая форма поверхности известна как выпуклый мениск.

Мы рассматриваем площадь поверхности всей массы ртути, включая ту часть поверхности, которая контактирует со стеклом, потому что ртуть вообще не прилипает к стеклу. Таким образом, поверхностное натяжение ртути действует по всей площади ее поверхности, в том числе там, где она контактирует со стеклом. Если бы вместо стекла трубку сделали из меди, ситуация была бы совсем другой. Ртуть агрессивно прилипает к меди. Таким образом, в медной трубке уровень ртути в центре трубки будет ниже, чем на краях (то есть это будет вогнутый мениск).В ситуации, когда жидкость прилипает к стенкам своего контейнера, мы считаем, что часть площади поверхности жидкости, которая контактирует с контейнером, имеет отрицательное поверхностное натяжение . Затем жидкость работает, чтобы максимизировать площадь контактной поверхности. Таким образом, в этом случае увеличение площади контакта с контейнером скорее уменьшает, чем увеличивает потенциальную энергию. Этого уменьшения достаточно, чтобы компенсировать повышенную потенциальную энергию, связанную с подъемом жидкости возле стенок контейнера.

Иллюстрация капиллярного подъема и падения. Красный = угол контакта менее 90 °; синий = угол контакта больше 90 °

Если трубка достаточно узкая и прилипание жидкости к ее стенкам достаточно сильное, поверхностное натяжение может втягивать жидкость вверх по трубке, что называется капиллярным действием. Высота, на которую поднимается колонна, определяется по формуле:

.

где

Лужи на поверхности

Кривая профиля кромки лужи при краевом угле смачивания 180 °.Кривая задается формулой: где Небольшие лужицы воды на гладкой чистой поверхности имеют ощутимую толщину.

При попадании ртути на горизонтальный плоский лист стекла образуется лужа ощутимой толщины. Лужа будет расширяться только до такой степени, что ее толщина будет чуть меньше полсантиметра, и не тоньше. Опять же, это связано с действием сильного поверхностного натяжения ртути. Жидкая масса выравнивается, потому что это приводит как можно больше ртути к максимально низкому уровню, но в то же время поверхностное натяжение сокращает общую площадь поверхности.В результате получается лужа почти фиксированной толщины.

Такая же демонстрация поверхностного натяжения может быть проведена с водой, известковой водой или даже солевым раствором, но только если жидкость не прилипает к материалу с плоской поверхностью. Воск — такое вещество. Вода, налитая на гладкую плоскую горизонтальную восковую поверхность, скажем, на вощеный лист стекла, будет вести себя так же, как ртуть, налитая на стекло.

Толщина лужи жидкости на поверхности, угол смачивания которой составляет 180 °, определяется по формуле:

где

— глубина лужи в сантиметрах или метрах.

— поверхностное натяжение жидкости в динах на сантиметр или ньютонах на метр.

— ускорение свободного падения, равное 980 см / с 2 или 9,8 м / с 2

— плотность жидкости в граммах на кубический сантиметр или килограммах на кубический метр

Иллюстрация того, как меньший угол контакта приводит к уменьшению глубины лужи

На самом деле толщина луж будет немного меньше, чем предсказывается по приведенной выше формуле, потому что очень немногие поверхности имеют угол контакта 180 ° с любой жидкостью.Когда угол контакта меньше 180 °, толщина определяется по формуле:

Для ртути на стекле γ _Hg = 487 дин / см, ρ _Hg = 13,5 г / см ³ и θ = 140 °, что дает h _Hg = 0,36 см. Для воды на парафине при 25 ° C γ = 72 дин / см, ρ = 1,0 г / см ³ и θ = 107 °, что дает h _{H 2 O} = 0,44 см.

Формула также предсказывает, что когда угол смачивания равен 0 °, жидкость будет растекаться в виде микротонкого слоя по поверхности.Такая поверхность считается полностью смачиваемой жидкостью.

Распад потоков на капли

Заглавная страница: Неустойчивость Плато – Рэлея

В повседневной жизни мы все замечаем, что поток воды, выходящий из крана, распадается на капли, независимо от того, насколько плавно поток выходит из крана. Это происходит из-за явления, называемого неустойчивостью Плато – Рэлея, которое полностью является следствием эффектов поверхностного натяжения.

Объяснение этой нестабильности начинается с существования крошечных возмущений в потоке.Они всегда присутствуют, независимо от того, насколько плавный поток. Если возмущения разделить на синусоидальные компоненты, мы обнаружим, что некоторые компоненты со временем растут, а другие со временем затухают. Среди тех, которые растут со временем, одни растут быстрее, чем другие. Будет ли компонент распадаться или расти, и насколько быстро он растет, полностью зависит от его волнового числа (мера того, сколько пиков и впадин на сантиметр) и радиусов исходного цилиндрического потока.

Таблица данных

Поверхностное натяжение различных жидкостей в дин / см по отношению к воздуху
Смесь% по массе
дин / см эквивалентно единицам СИ мН / м (милли-ньютон на метр)

Жидкость	Температура ° C	Поверхностное натяжение, γ
Уксусная кислота	20	27.6
Уксусная кислота (40,1%) + вода	30	40,68
Уксусная кислота (10,0%) + вода	30	54,56
Ацетон	20	23,7
Диэтиловый эфир	20	17,0
этанол	20	22,27
Этанол (40%) + вода	25	29,63
Этанол (11.1%) + вода	25	46,03
Глицерин	20	63
n -Гексан	20	18,4
Соляная кислота 17,7 М водный раствор	20	65,95
Изопропанол	20	21,7
Азот жидкий	-196	8,85
Меркурий	15	487
Метанол	20	22.6
n -октан	20	21,8
6,0 М водный раствор хлорида натрия	20	82,55
Сахароза (55%) + вода	20	76,45
Вода	0	75,64
Вода	25	71,97
Вода	50	67,91
Вода	100	58.85

Галерея эффектов

• Разрушение движущегося листа воды, отскакивающего от ложки.

• Фотография проточной воды, прилипшей к руке. Поверхностное натяжение создает полосу воды между потоком и рукой.

• Поверхностное натяжение предотвращает погружение монеты: монета, бесспорно, плотнее воды, поэтому она должна смещать объем больше, чем ее собственный, чтобы плавучесть уравновесила массу.

• Ромашка. Цветок полностью лежит ниже уровня (ненарушенной) свободной поверхности. Вода плавно поднимается по его краю. Поверхностное натяжение предотвращает попадание воды в воздух между лепестками и, возможно, погружение цветка.

• Металлическая скрепка плывет по воде. Несколько обычно можно аккуратно добавить без переливания воды.

• Алюминиевая монета плавает на поверхности воды при температуре 10 ° C.Любой лишний вес опустит монету на дно.

Детские картинки

• Поток дождевой воды из навеса. Среди сил, управляющих образованием капель: поверхностное натяжение, когезия, сила Ван-дер-Ваальса, неустойчивость Плато – Рэлея.

• Капля воды, лежащая на штофе. Поверхностное натяжение достаточно велико для предотвращения плавания под тканью

• На этой диаграмме показано усилие, необходимое для увеличения площади поверхности.Эта сила пропорциональна поверхностному натяжению.

• Тензиометр

  Force использует метод колец Дю Нуюи и метод пластин Вильгельми.

• Распад удлиненной струи воды на капли из-за поверхностного натяжения.

• Молекулы на поверхности крошечной капли (слева) имеют в среднем меньше соседей, чем молекулы на плоской поверхности (справа). Следовательно, они более слабо связаны с каплей, чем молекулы с плоской поверхностью.

• Алюминиевая монета плавает на поверхности воды при температуре 10 ° C. Любой лишний вес опустит монету на дно.

• Металлическая скрепка, плавающая на воде. Решетка перед источником света создала «контурные линии», которые показывают деформацию водной поверхности, вызванную металлической скрепкой для бумаг.

8 примеров силы натяжения в повседневной жизни — StudiousGuy

Натяжение — это сила, возникающая в результате натяжения веревки или проволоки с обеих сторон.Сила натяжения равна произведению массы объекта и ускорения за счет силы тяжести / ускорения свободного падения при соблюдении условий равновесия. Напряжение противоположно силе сжатия. Все предметы, которые находятся в контакте друг с другом, оказывают друг на друга силу. Лучший пример силы натяжения можно увидеть при натяжении веревки. Когда к веревке прикладывается тяговое усилие, создается значительное натяжение. В то время как при натяжении веревки натяжение теряется, и она ослабевает.Проще говоря, правильно натянутая веревка обладает силой натяжения, а ослабленная веревка не обладает силой натяжения. Это также известно как растягивающая сила.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Примеры

1. Буксировка автомобиля

При буксировке автомобиля используется натянутая цепь, передающая усилие натяжения на прикрепленное транспортное средство. Для максимальной передачи мощности цепи и тросы, используемые в буксирном механизме, имеют нулевую массу.Двигатель тягача подает энергию на цепь и шкив. Эта энергия затем передается на буксируемое транспортное средство, тем самым позволяя оператору буксировать транспортное средство.

2. Вытягивание ведра с водой из скважины

Забор воды из колодца — один из лучших примеров сил натяжения. В нем используется веревка, один конец которой привязан к ручке ведра, а другой конец привязан к шкиву. Когда эта веревка растягивается под действием внешней силы, нарастает натяжение.Веревка становится средством передачи энергии между ведром и человеком, пытающимся вытащить воду из колодца. Следовательно, при соответствующем использовании силы натяжения и шкива процесс упрощается, и вода может быть легко извлечена.

3. Взвешивание

Взвешивание используется почти во всех сферах деятельности. Большинство товаров измеряется по весу, чтобы указать их цену и количество. Обычно это делается с помощью традиционных весов.Весовое оборудование состоит из стержня с пластинами, прикрепленными к обоим концам с помощью струн. Измеряемое количество подвешивается на одной пластине, а на другой пластине находится стандартный вес. Затем оборудование поднимается в воздух и сравнивается вес обеих пластин. Если оборудование сбалансировано, измеряемое количество равно стандартному весу. Сила натяжения играет огромную роль в том, чтобы сделать процесс взвешивания доступным.

4.Тренажерный зал

Большинство тренажеров, таких как тренажер для тяги вниз, эспандер и т. Д., Используют силу натяжения для оказания услуг, связанных с фитнесом. В тренажере для тяги вниз к одному концу веревки прикреплены грузы, которые можно регулировать для удобства пользователя. Другой конец проволоки прикрепляем к ручке. Веревки, используемые в таких приложениях, представляют собой струны малой массы. Это позволяет оборудованию оставаться в натянутом состоянии, даже когда оно не используется. Точно так же эспандер используется для выполнения различных упражнений на растяжку, используя силу растяжения и сжатия.

5. Крановая машина

Кран при подъеме предметов использует длинную металлическую цепь и огромный шкив. Поскольку объект и оператор не находятся в прямом контакте друг с другом, сила, необходимая для подъема, достигает объекта косвенно через силу натяжения цепи. Это одно из основных применений силы натяжения в промышленном мире.

6. Whirligig

Whirligig — детская игра, состоящая из нитки и круглого диска.Диск подвешен в центре нити, завязанной петлей. Затем игровое оборудование удерживают за оба конца и максимально растягивают. В нити создается значительная сила натяжения, которая позволяет диску вращаться вокруг нити.

7. Перетягивание каната

Перетягивание каната — один из самых популярных видов спорта среди молодежи, использующий силу натяжения. Главное требование в соревновании по перетягиванию каната — это тщательно натянутая веревка.Две команды, пытающиеся натянуть веревку на свою сторону, являются основой соревнования по перетягиванию каната. Сила, содержащаяся в канате при приложении тягового усилия с обоих концов, является силой натяжения. Без силы натяжения никто не смог бы выиграть игру.

8. Вытягивание блока с помощью веревки

Предположим, блок привязан веревкой, и веревка передана человеку. Когда человек тянет за веревку, возникает напряжение, и веревка натягивается.При дальнейшем приложении тягового усилия коробка начинает преодолевать силу трения и перемещаться в направлении приложенной силы. Человек, тянущий веревку, не находится в прямом контакте с блоком и не может передавать силу непосредственно физическому телу. Веревка становится средой, и сила косвенно достигает блока. Тем самым заставляя блок двигаться.

Поверхностное натяжение — Химия LibreTexts

Поверхностное натяжение — это энергия или работа, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости за счет межмолекулярных сил.Поскольку эти межмолекулярные силы меняются в зависимости от природы жидкости (например, вода по сравнению с бензином) или растворенных веществ в жидкости (например, поверхностно-активных веществ, таких как моющее средство), каждый раствор проявляет различные свойства поверхностного натяжения. Знаете вы это или нет, но вы уже видели действие поверхностного натяжения. Каждый раз, когда вы слишком сильно наливаете стакан воды, вы можете впоследствии заметить, что уровень воды в стакане на самом деле выше, чем высота стакана. Возможно, вы также заметили, что пролившаяся вами вода превратилась в лужи, которые поднимаются над прилавком.Оба эти явления вызваны поверхностным натяжением.

Капли воды образуются на поверхности бассейна из-за поверхностного натяжения.

Молекулярная перспектива

В образце воды есть два типа молекул. Те, что снаружи, снаружи, а те, что внутри, внутри. Внутренние молекулы притягиваются ко всем молекулам вокруг себя, в то время как внешние молекулы притягиваются только к другим поверхностным молекулам и к тем, которые находятся под поверхностью.Это делает так, что энергетическое состояние молекул внутри намного ниже, чем у молекул снаружи. Из-за этого молекулы стараются поддерживать минимальную площадь поверхности, что позволяет большему количеству молекул иметь более низкое энергетическое состояние. Это то, что создает то, что называется поверхностным натяжением. Иллюстрацию этого можно увидеть на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): молекулы на поверхности воды испытывают чистое притяжение к другим молекулам в жидкости, которое удерживает вместе поверхность объемного образца.Напротив, те, кто находится внутри, испытывают одинаковые силы притяжения. (CC BY-SA-NC; анонимно по запросу).

Молекулы воды притягиваются друг к другу из-за полярных свойств воды. Концы водорода, которые являются положительными по сравнению с отрицательными концами кислорода, заставляют воду «слипаться». Вот почему существует поверхностное натяжение и требуется определенное количество энергии, чтобы разорвать эти межмолекулярные связи. То же самое и с другими жидкостями, даже с гидрофобными жидкостями, такими как масло. Между жидкостью существуют силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса, которые отвечают за межмолекулярные силы внутри жидкости.Тогда потребуется определенное количество энергии, чтобы сломать эти силы и поверхностное натяжение. Вода — это жидкость, которая, как известно, имеет очень высокое значение поверхностного натяжения, и ее трудно преодолеть.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): (a) Скрепка может «плавать» по воде из-за поверхностного натяжения. (б) Поверхностное натяжение также позволяет таким насекомым, как этот водомер, «ходить по воде». (CC BY-SA-NC; анонимно по запросу).

Поверхностное натяжение воды может заставить плавать предметы, которые плотнее воды, что позволяет организмам буквально ходить по воде (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).Примером такого организма является водомер, который может бегать по поверхности воды благодаря межмолекулярным силам молекул и силе страйдера, которая распространяется на его ноги. Поверхностное натяжение также позволяет образовывать капли, которые мы видим в природе.

Силы сцепления и сцепления

Есть несколько других важных концепций, связанных с поверхностным натяжением. Первая из них — это идея сил сцепления и сцепления. Силы сцепления — это силы, которые удерживают тело жидкости вместе с минимальной площадью поверхности, а силы сцепления — это те, которые пытаются заставить тело жидкости растекаться.Таким образом, если силы сцепления сильнее, чем силы сцепления, тело воды будет сохранять свою форму, но если верно обратное, жидкость будет растекаться, максимизируя его площадь поверхности. Любое вещество, которое вы можете добавить в жидкость, которое позволяет жидкости увеличить площадь ее поверхности, называется смачивающим агентом.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): (a) Этот рисунок иллюстрирует форму мениска и относительную высоту столбика ртути, когда стеклянный капилляр помещается в жидкую ртуть.Мениск выпуклый, и поверхность жидкости внутри трубки ниже, чем уровень жидкости вне трубки. (b) Поскольку вода прочно прилипает к полярной поверхности стекла, она имеет вогнутый мениск, тогда как ртуть, которая не прилипает к стеклу, имеет выпуклый мениск. (CC BY-SA-NC; анонимно по запросу).

В лаборатории также следует помнить несколько важных моментов, касающихся поверхностного натяжения. Первое, что вы, наверное, заметили раньше. Это идея мениска (Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \)).Это вогнутый (изогнутый внутрь) или выпуклый (изогнутый) вид, который имеет вода или другие жидкости, когда они находятся в пробирках. Это вызвано притяжением между стеклом и жидкостью. С водой это заставляет ее взбираться по стенкам пробирки. Это притяжение усиливается по мере увеличения диаметра трубок; это называется капиллярным действием. Это можно увидеть, если вы возьмете трубку очень маленького диаметра (капиллярная трубка ) и опустите ее в водоем. Жидкость будет подниматься в трубку, несмотря на отсутствие внешней силы.Возможно, вы также видели это, когда помещали соломинку в напиток и замечали, что уровень жидкости внутри соломинки выше, чем в вашем напитке. Однако все это требует, чтобы силы сцепления (между жидкостью и поверхностью капилляров) были выше, чем силы сцепления (между жидкостью и самим собой), в противном случае не будет никакого капиллярного действия или даже может произойти обратное. Ртуть имеет более высокие силы сцепления, чем силы сцепления, поэтому уровень жидкости в капиллярных трубках будет ниже, чем по сравнению с остальной частью ртути (Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \)).

Список литературы

1. Петруччи, Ральф Х. и др. Общая химия: принципы и современные приложения. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2007.

Авторы и авторство

• Бенджамин Олдридж, Ниваз Брар

Межфазное натяжение — обзор

4.1.2 Двухфазные свойства

Межфазное натяжение (IFT) и минимальное давление смешиваемости (MMP) являются одними из наиболее важных двухфазных свойств пластовых флюидов.Однако в этой части обсуждается IFT, в то время как MMP рассматривается как часть раздела EOR (повышение нефтеотдачи) из-за его высокой важности в процессах закачки газа. Значение IFT хорошо известно, поскольку он играет важную роль во многих промышленных и инженерных процессах [199]. Применение ИИ для прогнозирования значения IFT для бинарных смесей восходит к 2009 году, когда Кумар [200] разработал прогностическую модель для оценки IFT на границе кристалл / раствор с помощью ИНС.С тех пор интеллектуальные модели использовались многими исследователями в этой области исследований. Здесь упоминаются несколько подходов к прогнозированию IFT.

Таким образом, Meybodi et al. [199] использовали LSSVM для прогнозирования значения IFT чистых углеводородных и водных систем в диапазоне температур 454,4–890 ° R и диапазоне давлений 0,1–300 МПа с использованием 1213 точек данных. Они использовали алгоритм CSA для оптимизации модели и применили функцию ядра RBF. Предлагаемый подход может прогнозировать IFT как функцию от T / критической температуры углеводорода ( T _c ) и ρ _w — ρ _hc с AAPRE из 1.45%. На рис. 4.28 показано графическое сравнение разработанной модели CSA-LSSVM и трех ранее опубликованных моделей с точки зрения R ² , ARE, AARE (средний ARE) и RMSE.

Рисунок 4.28. Точность модели, разработанной Meybodi et al. по сравнению с другими корреляциями: (A) R ² , (B) Средняя относительная ошибка, (C) Средняя абсолютная относительная ошибка и (D) RMSE.

По материалам M.K. Мейбоди и др., Схема вычислительного интеллекта для прогнозирования межфазного натяжения между чистыми углеводородами и водой, Chem.Англ. Res. Des. 95 (2015) 79–92.

В 2016 г. Наджафи-Маргмалеки и др. [201] предприняли попытку спрогнозировать IFT между углеводородным газом и водой. Они построили три интеллектуальные модели на основе 1105 экспериментальных данных IFT, собранных из литературы. Интеллектуальными моделями были методы CSA-LSSVM, GA-RBF и конъюгированный гибрид-PSO ANFIS (CHPSO-ANFIS). Разработанный GA-RBF превзошел другие разработанные модели, а также несколько литературных корреляций и мог предсказать IFT с AARE, равным 1.26%. Рис. 4.29 демонстрирует кумулятивную частоту в зависимости от ARE для построенных моделей и ранее опубликованных корреляций. Ахмади и Махмуди [202] применили алгоритм LSSVM в сочетании с GA для прогнозирования IFT между газом и нефтью. В качестве входных параметров они рассматривали давление, температуру, плотность капли нефти и плотность газа. Построенная модель может предсказать целевое значение с AAPRE 1,6028%.

Рисунок 4.29. Совокупная частота по сравнению с ARE для моделей, разработанных Наджафи-Маргмалеки и др.и другие соотношения. ARE , Абсолютная относительная погрешность.

По материалам A. Najafi-Marghmaleki, et al., О прогнозировании межфазного натяжения (IFT) для системы вода-углеводородный газ, J. Mol. Liq. 224 (2016) 976–990.

В другом исследовании Ayatollahi et al. [203] разработали модель CSA-LSSVM для оценки IFT между парафином и CO ₂ . В качестве входных параметров учитывались температура и давление, а также молекулярная масса парафина. Предлагаемая модель может обеспечивать прогнозы для IFT с AAPRE, равным 4.7%. Они заявили, что давление оказало наибольшее влияние на IFT. Рис. 4.30 иллюстрирует компетенцию CSA-LSSVM в прогнозировании IFT.

Рисунок 4.30. Точность модели CSA-LSSVM, разработанной Ayatollahi et al. в прогнозировании IFT для тестируемого подмножества. CSA , Парный имитационный отжиг; IFT , межфазное натяжение; LSSVM , машина опорных векторов наименьших квадратов.

По материалам S. Ayatollahi, et al., Строгий подход к определению межфазного натяжения и минимального давления смешиваемости в системах парафин-CO2: применение к процессам закачки газа, J.Тайваньский институт Chem. Англ. 63 (2016) 107–115.

Модель CSA-LSSVM была снова использована в этом году Барати-Харуни и др. [204] для прогнозирования значения IFT между живой нефтью и пластовой водой. IFT рассматривалась как функция P , T и солености. Модель CSA-LSSVM показала точность 0,76% с точки зрения AAPRE.

В 2017 году Хеммати-Сарапардех и Мохагегиан [205] стремились предсказать IFT между нормальными алканами (от n-C ₅ до n-C ₁₆ ) и азотом (N ₂ ) с использованием системы GMDH.Три входные переменные рассматривались как P , T и MW н-алкана. Результаты моделирования показали превосходство подхода GMDH с AAPRE 3,91% (для тестируемого подмножества). В другом подходе для прогнозирования IFT в системах вода / углеводород, GP был использован Rostami et al. [206]. Предлагаемый подход позволил спрогнозировать IFT как функцию T , P , разницы между плотностью углеводорода и воды и T _c углеводорода с AAPRE, равным 4.38%.

В следующем году несколько ученых сосредоточились на прогнозировании IFT в системах углеводород / рассол в зависимости от P , T , углеродного числа углеводорода и ионной силы рассола. С этой целью Darvish et al. [207], Рухибахш и Дарвиш [208] и Эмами Багдади и др. [209] использовали алгоритмы ANFIS-PSO, нечетких C-средних (FCM) и LSSVM соответственно. Значения 0,9957, 0,9309 и 0,9851 были получены как коэффициент корреляции моделей, разработанных Darvish et al., [207] Рухибахш и Дарвиш [208] и Эмами Багдади [209] соответственно. Другое исследование в этом году было выполнено для оценки IFT между N ₂ и н-алканами Амели и др. [210]. Они использовали алгоритмы ANN-MLP, ANN-RBF и LSSVM для разработки моделей IFT. Эффективность каждой из этих интеллектуальных моделей оценивалась с помощью различных методов оптимизации. Сеть MLP в сочетании с методом оптимизации LM (MLP-LM) показала самую высокую точность в прогнозировании IFT как функции безразмерного давления и температуры с AAPRE, равным 1.38%. Полученные результаты показали, что большее влияние на значение IFT оказывает безразмерная температура.

Кроме того, в 2019 году прогнозирование IFT между нефтью и рассолом было предметом интереса нескольких исследований. Kiomarsiyan и Esfandiarian [211], Abooali et al. [212] и Amar et al. [213] были учеными, которые пытались спрогнозировать IFT в системах нефть / рассол с помощью интеллектуальных моделей. Киомарсиян и Эсфандиарян [211] использовали FIS на основе разделения сетки для прогнозирования IFT в системах нефть / рассол в зависимости от P , T , углеродного числа углеводорода и ионной силы рассола.Модель показала коэффициент корреляции 0,9447 (тестовое подмножество). Abooali et al. [212] могли построить свои модели, используя алгоритм GP. В качестве входных параметров они использовали T , P , удельный вес нефти и общее кислотное число (ОКЧ), pH рассола и эквивалентную соленость NaCl ( S _экв. ). Прогнозы построенной модели показали точность 3,3932% по шкале AAPRE. На рис. 4.31 показано абсолютное относительное отклонение в зависимости от количества тестируемых подмножеств.Amar et al. [213] представили две новые интеллектуальные модели, а именно, регрессию вектора поддержки адаптивного повышения (AdaBoost SVR) и DT повышения градиента (GBDT), для моделирования IFT между сырой нефтью и рассолом. Для каждой из этих моделей были разработаны два набора моделей IFT. Первые модели имели шесть входных параметров, включая P , T , γ _o , общее кислотное число (TAN), pH рассола и соленость, эквивалентную NaCl ( S _eq ) , а вторые были разработаны на основе четырех входов: P , T , S _eq и γ _o .Результаты моделирования показали превосходство GBDT с шестью входными переменными с AARD 1,01%. На рис. 4.32 показаны характеристики разработанных моделей с точки зрения AARD.

Рисунок 4.31. ARD% прогнозов модели IFT, разработанной Abooali et al. над набором данных тестирования. ARD , Абсолютное относительное отклонение; IFT , межфазное натяжение.

Адаптировано из D. Abooali, et al., Новая эмпирическая модель для оценки межфазного натяжения сырая нефть / рассол с использованием подхода генетического программирования, J.Домашний питомец. Sci. Англ. 173 (2019) 187–196.

Рисунок 4.32. Сравнение AARD% между моделями IFT, разработанными Amar et al. AARD , Среднее абсолютное относительное отклонение; IFT , межфазное натяжение.

По материалам М. Амар и др., Моделирование межфазного натяжения нефть-рассол в условиях высокого давления и высокой солености, J. Pet. Sci. Англ. 183 (2019) 106413.

Ameli et al. [214] предприняли попытку спрогнозировать IFT между н-алканами и сверхкритическим CO ₂ как функцию T , P и MW н-алкана.Они построили три модели — ANN-MLP, GA-RBF и CHPSO-ANFIS — и сообщили значения 2,59%, 1,39% и 1,81% как AAPRE для каждой модели, соответственно.

Кроме того, было проведено несколько исследований для определения IFT между CO ₂ и рассолом с использованием интеллектуальных моделей [215–219], которые обобщены в Таблице 4.2 вместе с вышеупомянутыми приложениями интеллектуальных моделей для прогнозирования IFT.

Таблица 4.2. Краткое изложение применения моделей искусственного интеллекта в области прогнозирования IFT (межфазного натяжения).

IFT между нефтью и рассолом

Автор (ы)	Интеллектуальная модель (и)	Тип проведенного исследования	Входные параметры	Ошибка (AAPRE)
Meybodi et al. [199]	CSA-LSSVM	Прогноз IFT между нефтью и водой	T / критическая температура углеводорода ( T c ) и ρ w — ρ hc	1.45
Наджафи-Маргмалеки и др. [201]	CSA-LSSVM GA-RBF CHPSO-ANFIS	Прогноз IFT между газом и водой	T c и ρ w — ρ hc	1,35 1,26 3.99
Ayatollahi et al. [203]	CSA-LSSVM	Прогнозирование IFT между парафином и CO 2	T , P и MW парафина	4,7
Barati-Harooni et al. [204]	CSA-LSSVM	Прогнозирование IFT между нефтью и рассолом	P , T и соленость	0,76
Zhang et al. [215]	ANN-MLP	Прогноз IFT между CO 2 и рассолом	P , T , одновалентный катион (Na + и K + ), молярность двухвалентного катиона (Ca 2+ и Mg 2+ ) моляльность, мольная доля N 2 и CH 4	2.70
Хеммати-Сарапардех и Мохагегиан [205]	GMDH	Прогноз IFT между н-алканами и N 2	P , T и MW н-алкана	3,91 900
Ростами и др. [206]	GP	Прогнозирование IFT между нефтью и водой	T , P , ρ w — ρ hc и T 90 углеводородов	4.38
Niroomand-Toomaj et al. [217]	GA-RBF MLP LSSVM ANFIS	Прогнозирование IFT между CO 9 954 0 и рассолом и соленость	2,353 2,543 4,819 2,6468
Partovi et al.[218]	PSO-RBF Гибридный ANFIS	Прогнозирование IFT между CO 2 и рассолом	P , T , моновалентный катион + K + ) моляльность, молярность двухвалентного катиона (Ca 2+ и Mg 2+ ), молярная доля N 2 и CH 4	2,07 1.10 1.10 90
Kamari et al.[216]	DT CSA-LSSVM GEP	Прогнозирование IFT между CO 2 и солевым раствором	P , + и K + ) моляльность, молярность двухвалентного катиона (Ca 2+ и Mg 2+ ), мольная доля N 2 и CH 4	—
Darvish et al. al. [207]	ANFIS-PSO	Прогнозирование IFT между нефтью и рассолом	P , T , углеродное число углеводорода и ионная сила рассола	0.15799
Рухибахш и Дарвиш [208]	FCM	Прогноз IFT между нефтью и рассолом	P , T , углеродным числом углеводорода и ионной силой рассола	0,9309 ( R 2 )
Эмами Багдади и др. [209]	LSSVM	Прогноз IFT между нефтью и рассолом	P , T , углеродное число углеводорода и ионная сила рассола	0.27444
Амели и др. [210]	MLP-LM MLP-BR MLP-SCG RBF-PSO RBF-GA 9007	Прогноз IFT между н-алканами и N 2	безразмерное давление и температура	1,33 1,68 2.74 2,88 2,34 5,83
Dehghani et al. [219]	SGB	Прогноз IFT между CO 2 и рассолом	P , T и соленостью рассола	0,60725
Киомарсиян и Эсфандиарян [211]	FIS	P , T , углеродное число углеводорода и ионная сила рассола	0.9447 ( R 2 )
Abooali et al. [212]	GP	Прогноз IFT между нефтью и рассолом	T , P , SG и TAN нефти, pH рассола и S экв.	3.3932
Amar и другие. [213]	AdaBoost SVR-1 AdaBoost SVR-2 GBDT-1 GBDT-2 GBDT-2	IF54 масла Pred , T , γ o , ОКЧ, pH рассола и S экв.	1.2744 2.3205 1.0188 1.5392
Ameli et al. [214]	ANN-MLP GA-RBF CHPSO-ANFIS	Прогнозирование IFT между н-алканами и сверхкритическими CO 2 0 P и молекулярная масса н-алкана	2,59 1.39 1,81

AAPRE , Средняя абсолютная относительная погрешность в процентах; AdaBoost SVR , векторная регрессия с поддержкой адаптивного ускорения; ANFIS , адаптивная система нейро-нечеткого вывода; ИНН , искусственная нейронная сеть; BR , Байесовская регуляризация; CHPSO , оптимизация роя конъюгированных гибридных частиц; CSA , имитация сопряженного отжига; DT , дерево решений; FCM , нечеткие C-средние; FIS , система нечеткого вывода; GA , генетический алгоритм; GA-RBF , генетически оптимизированная нейронная сеть с радиальной базисной функцией; GBDT , дерево решений повышения градиента; GEP , программирование генетической экспрессии; GMDH , групповой метод обработки данных; GP , генетическое программирование; LM , Левенберг – Марквардт; LSSVM , машина опорных векторов наименьших квадратов; MLP , многослойный персептрон; PSO , оптимизация роя частиц; RBF , радиальная базисная функция; SCG , масштабированный сопряженный градиент; SG , удельный вес; SGB , повышение стохастического градиента; TAN , общее кислотное число.

Сила поверхностного натяжения — обзор

Возвращение к поверхностному натяжению

Как обсуждалось в разделе 1.6, силы межмолекулярного притяжения преобладают в жидкости, тогда как в газе силы отталкивания больше. Однако по мере приближения к фазовой границе жидкость-газ со стороны жидкости эти силы притяжения не ощущаются в равной степени, потому что существует намного меньше молекул жидкой фазы вблизи фазовой границы. Таким образом, имеет место неуравновешенное притяжение к внутренней части жидкости молекул на границе раздела фаз.Это неуравновешенное притяжение называется , поверхностное натяжение , и его проявлением является приращение давления на изогнутой поверхности раздела. Несколько более подробное описание содержится в текстах по физико-химической гидродинамике. Два прекрасных источника — это Пробштейн (1994, глава 10) и Левич (1962, глава VII).

Лэмб в Hydrodynamics (1945, 6-е издание, стр. 456) пишет: «Поскольку условие устойчивого равновесия состоит в том, что свободная энергия должна быть минимальной, поверхность имеет тенденцию сокращаться настолько, насколько это согласуется с другой. условия проблемы.Таким образом, мы вынуждены ввести свободную энергию Гельмгольца (на единицу массы) f через

(4.94) f = e − Ts,

, где обозначения согласуются с обозначениями, используемыми в разделе 1.8. Если свободная энергия минимальна, то система находится в состоянии устойчивого равновесия, и F называется термодинамическим потенциалом при постоянном объеме (Fermi, 1956, Thermodynamics , стр. 80). Для обратимого изотермического изменения работа, выполняемая в системе, представляет собой выигрыш в общей свободной энергии F ,

(4.95) df = de-Tds-sdT,

, где последний член равен нулю для изотермического изменения. Тогда из (1.18) dF = — pdυ = работа, выполненная в системе. (Эти соотношения предполагают, что поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры.)

Для поверхности раздела площадью = A , разделение двух жидкостей с плотностями ρ ₁ и ρ ₂ , с объемами V ₁ и V ₂ , соответственно, и с коэффициентом поверхностного натяжения σ (соответствует свободной энергии на единицу площади), полная (по Гельмгольцу) свободная энергия F системы может быть записана как

(4.96) F = ρ1V1f1 + ρ2V2f2 + Aσ.

Если σ > 0, то две среды (жидкости) не смешиваются, и A достигнет локального минимального значения при равновесии. С другой стороны, если σ <0, что соответствует сжатию поверхности, то две жидкости смешиваются свободно, поскольку минимальная свободная энергия будет иметь место, когда A расширится до такой степени, что расстояние между его складками достигнет молекулярных размеров и двухжидкостная система имеет однородный состав.

Когда σ > 0, он и кривизна поверхности раздела жидкости определяют разницу давлений на границе раздела.Здесь мы будем считать, что σ = const. Потоки, вызванные градиентами поверхностного натяжения, называются потоками Марангони и здесь не обсуждаются. Рассмотрим ситуацию, изображенную на рисунке 4.19, где давление над изогнутой границей раздела выше, чем давление под ней на приращение Δ p , а форма границы раздела текучей среды задается как η ( x , y , z ) = z — h ( x , y ) = 0.Начало координат и направление оси z выбраны так, что h , ∂h / ∂x и ∂h / ∂y все равны нулю при x = (0, 0, 0). Кроме того, направления осей x и y выбраны таким образом, чтобы главные радиусы кривизны поверхности, R ₁ и R ₂ , находились в xz и yz соответственно.Таким образом, форма поверхности задается

Рис. 4.19. Показанная криволинейная поверхность касается плоскости x — y в начале координат. Давление над поверхностью на Δ p выше, чем давление под поверхностью, создавая направленную вниз силу. Силы поверхностного натяжения тянутся в локальном направлении t × n , которое немного направлено вверх, по всей кривой C и, таким образом, уравновешивает силу давления, направленную вниз.

η (x, y, z) = z− (x2 / 2R1) — (y2 / 2R2) = 0

в окрестности начала координат.Замкнутая кривая C определяется пересечением криволинейной поверхности и плоскости z = ζ . Цель здесь состоит в том, чтобы определить, как приращение давления Δ p зависит от R ₁ и R ₂ , когда силы давления и поверхностного натяжения уравновешены, когда площадь, ограниченная C , приближается к нулю.

Сначала определите чистую силу давления F _p на поверхности A , ограниченную C .Нормаль единицы n к поверхности η равна

n = ∇η | ∇η | = (- x / R1, −y / R2,1) (x / R1) 2+ (y / R2) 2 +1,

, а элемент площади равен

dA = 1 + (∂η / ∂x) 2+ (∂η / ∂y) 2dxdy = 1 + (x / R1) 2+ (y / R2) 2dxdy,

, поэтому

(4.97) Fp = −∬AΔpndA = −Δp∫ − 2R1ζ + 2R1ζ [∫ − 2R2ζ − x2R2 / R1 + 2R2ζ − x2R2 / R1 (−x / R1, −y / R2,1) dy] dx.

Знак минус появляется здесь, потому что большее давление над поверхностью (положительное Δ p ) должно приводить к направленной вниз силе, а вертикальная составляющая n положительна.Компоненты x и y для F _p равны нулю из-за симметрии ситуации (нечетное подынтегральное выражение с четными пределами). Оставшееся двойное интегрирование для z -компонента F _p дает:

(Fp) z = ez⋅Fp = −πΔp2R1ζ2R2ζ.

Чистая сила поверхностного натяжения F _st на C может быть определена с помощью интеграла

(4.98) Fst = σ∮Ct × nds,

, где ds = dx1 + (dy / dx) 2 — элемент длины дуги кривой C , а t — единичный касательный к C , поэтому

t = — (1, dy / dx, 0) 1+ (dy / dx) 2 = (- y / R2, x / R1,0) (y / R2) 2+ (x / R1) 2,

и dy / dx находится путем дифференцирования уравнения для C , ζ = (x2 / 2R1) — (y2 / 2R2), при этом ζ считается константой. На каждый элемент C сила поверхностного натяжения действует перпендикулярно t и касательно A .Это направление задается как t × n, поэтому подынтегральное выражение в (4.98) равно

t × nds = (R2 / y) dx1 + (x / R1) 2+ (y / R2) 2 (xR1, yR2, x2R12 + y2R22) ≅R2y (xR1, yR2, x2R12 + y2R22) dx,

, где примерное равенство сохраняется, когда x / R ₁ и y / R ₂ ≪ 1 и область, ограниченная C приближается к нулю. Симметрия пути интегрирования приведет к тому, что компоненты x и y F _st будут равны нулю, в результате чего

(Fst) z = ez⋅Fst = 4σ∫02R1ζR22R2ζ− (R2 / R1) x2 [2ζR2 + x2R1 (1R1−1R2)] dx,

, где y было исключено из подынтегрального выражения с использованием уравнения для C , а коэффициент четыре появляется, потому что показанный интеграл охватывает только один — четверть пути, определенная в C .Подстановка переменной интегрирования в виде sinξ = x / 2R1ζ позволяет вычислить интеграл:

(Fst) z = ez⋅Fst = πσ2R1ζ2R2ζ (1R1 + 1R2).

Для статического равновесия F _p + F _st = 0, поэтому оцененные результаты (4.97) и (4.98) требуют:

(1.5) Δp = σ (1 / R1 + 1 / R2),

, где давление больше на стороне поверхности с центрами кривизны границы раздела. Бэтчелор (1967, стр.64) пишет:

Неограниченная поверхность с постоянной суммой главных кривизны является сферической, и это должна быть равновесная форма поверхности. Этот результат также следует из того факта, что в состоянии (устойчивого) равновесия энергия поверхности должна быть минимальной, соответствующей данному значению объема капли или пузырька, а сфера — это форма, которая имеет наименьшую поверхность площадь для данного объема.

Первоначальным источником этого анализа является работа лорда Рэлея (1890 г.) «О теории поверхностных сил.”

Для пузырьков воздуха в воде сила тяжести является важным фактором для пузырьков миллиметрового размера, как мы увидим здесь. Гидростатическое давление в жидкости получается из p _L + ρgz = const., Где z измеряется положительно вверх от свободной поверхности, а сила тяжести действует вниз. Таким образом, для пузырька газа под свободной поверхностью

pG = pL + σ (1 / R1 + 1 / R2) = const. − ρgz + σ (1 / R1 + 1 / R2).

Силы тяжести и поверхностного натяжения одного порядка по шкале длины ( σ / ρg ) ^1/2 .Для пузырька воздуха в воде при 288 K этот масштаб = [7,35 × 10 ⁻² Н / м / (9,81 м / с ² × 10 ³ кг / м ³ )] ^1/2 = 2,74 × 10 ⁻³ м.

Пример 4.7

Расчет формы свободной поверхности жидкости, примыкающей к бесконечной вертикальной плоской стенке. Пусть z = ζ ( x ) определяет форму свободной поверхности. Ссылаясь на рисунок 4.20, где ось y указывает на страницу, 1/ R ₁ = [ ∂ ² ζ / ∂x ² ] [1 + ( ∂ζ / ∂x ) ² ] ^−3/2 и 1/ R ₂ = [ ∂ ² ζ / ∂y ² ] [ 1 + ( ∂ζ / ∂y ) ² ] ^−3/2 = 0.На свободной поверхности ρgζ — σ / R ₁ = const . Поскольку x → ∞, ζ → 0 и R ₂ → ∞, поэтому const . = 0. Тогда ρgζ / σ — ζ ″ / (1 + ζ ′ ² ) ^3/2 = 0.

Рис. 4.20. Свободная поверхность жидкости, прилегающая к вертикальной плоской стенке. Здесь контактный угол составляет θ , и жидкость поднимается до z = h у твердой стенки.

Умножьте на коэффициент интегрирования ζ ′ и проинтегрируйте. Получаем ( ρg /2 σ ) ζ ² + (1 + ζ ′ ² ) ^−1/2 = C . Вычислим C как x → ∞, ζ → 0, ζ ′ → 0. Тогда C = 1. Мы смотрим на x = 0, z = ζ (0) = ч , чтобы найти ч . Уклон у стены, ζ ′ = tan ( θ + π /2) = −cot θ .Тогда 1 + ζ ′ ² = 1 + кроватка ² θ = csc ² θ . Таким образом, теперь мы имеем ( ρg /2 σ ) h ² = 1 — 1 / csc θ = 1 — sin θ , так что h ² = (2 σ / ρg ) (1 — sin θ ). Наконец, мы стремимся интегрировать, чтобы получить форму интерфейса. Возводя в квадрат и переставляя результат выше, дифференциальное уравнение, которое мы должны решить, можно записать как 1 + ( dζ / dx ) ² = [1 — ( ρg /2 σ ) ζ ² ] ^-2 .Решение для наклона и получение отрицательного квадратного корня (поскольку наклон отрицательный для положительного x ),

dζ / dx = — {1− [1− (ρg / 2σ) ζ2] 2} 1/2 [1 — (ρg / 2σ) ζ2] −1.

Определите σ / ρg = δ ² , ζ / δ = γ . Переписываем уравнение в виде x / δ и γ и разделяем переменные:

2 (1 − γ2 / 2) γ − 1 (4 − γ2) −1 / 2dγ = d (x / δ ).

Подынтегральное выражение слева упрощено частичными дробями, а постоянная интегрирования оценивается как x = 0, когда η = h / δ .Наконец,

ch − 1 (2δ / ζ) — (4 − ζ2 / δ2) 1/2 − ch − 1 (2δ / h) + (4 − h3 / δ2) 1/2 = x / δ

дает форма интерфейса с точки зрения x ( ζ ).

Анализ эффектов поверхностного натяжения приводит к появлению дополнительных безразмерных параметров, в которых поверхностное натяжение сравнивается с другими эффектами, такими как вязкие напряжения, телесные силы, такие как гравитация и инерция. Они определены в следующем разделе.

Что такое поверхностное натяжение в физике — пример, эффекты

Загрузите лучшее приложение для подготовки к экзаменам в Индии

Класс 9-10, JEE и NEET

Скачать приложение eSaral Эй, вы хотите знать, что такое поверхностное натяжение в физике? Если так.Тогда продолжайте читать.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — это свойство жидкости, которое зависит от природы жидкости.

Каждая жидкость имеет тенденцию к уменьшению площади своей поверхности. Таким образом, он ведет себя как растянутая эластичная мембрана из резины. Теперь ясно, что на поверхности жидкости есть натяжение, которое называется поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение является величиной скейлера.

Определение поверхностного натяжения: Поверхностное натяжение жидкости определяется как сила на единицу длины в плоскости поверхности жидкости под прямым углом к ​​любой стороне воображаемой линии, проведенной на этой поверхности.{-2} $

Примеры поверхностного натяжения:

1. После помещения стеклянного стержня в пламя горелки его конец становится сферическим.
2. Плавающая игла в воде: если мы наденем иглу на промокательную бумагу и поместим ее на поверхность воды, промокательная бумага утонет после намокания, и игла останется плавающей на поверхности воды. Причиной этого является поверхностное натяжение. Две силы действуют на поверхностное натяжение T и вес иглы W после деления силы поверхностного натяжения на горизонтальную и вертикальную составляющие, горизонтальные составляющие компенсируют друг друга, а вертикальные составляющие складываются, что уравновешивает вес иглы, так что игла плавает на поверхности воды
3. Мыльная вода хорошо очищает ткани по сравнению с загрязненной водой.
4. Наполнение чернилами острия пера.
5. Танцы камфора на водной глади.

Влияние на поверхностное натяжение:

1. Влияние примесей: Поверхностное натяжение жидкости увеличивается из-за примеси растворителя в жидкости. При растворении соли в воде поверхностное натяжение воды увеличивается. Если примесь растворителя менее растворима, то поверхностное натяжение уменьшается. Например, после растворения мыла в воде поверхностное натяжение уменьшается.
2. Влияние температуры: Из-за повышения температуры силы сцепления между молекулами жидкости, поэтому поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре становится равным нулю.
3. Эффект плавающей примеси: Если присутствует пыль, масло или жир, то поверхностное натяжение жидкости также уменьшается.
4. Течение электричества в жидкости: Когда электричество течет в жидкости, на свободную поверхность жидкости обычно действует сила. Следовательно, поверхностное натяжение жидкости.{2} \ right) $

   Sol. Кольцо контактирует с водой по своей внутренней и внешней окружности, поэтому при вытягивании общая сила, действующая на него из-за поверхностного натяжения, будет
   

   $ \ mathrm {F} = \ mathrm {T} \ left (2 \ pi \ mathrm {r} _ {1} +2 \ pi \ mathrm {r} _ {2} \ right) $

   Так

   $ \ mathrm {T} = \ frac {\ mathrm {mg}} {2 \ pi \ left (\ mathrm {r} _ {1} + \ mathrm {r} _ {2} \ right)} $

   [как F = мг]

   т.е.

   $ \ mathrm {T} = \ frac {3.97 \ times 980} {3.14 \ times (8.5 + 8.7)} $

   $ = 72.13 $ дин / см

   Итак, это все из этой темы. Надеюсь, вы имеете полное представление о том, что такое поверхностное натяжение в физике? и пример поверхностного натяжения.