Номер 48.18, страница 176 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 48. Электрическое поле. Глава 7. Электрические явления - номер 48.18, страница 176.

48.18* [1210*] Предложите проект установки, позволяющей с помощью электрического поля осуществить улавливание пыли, дыма или экономию краски при нанесении её распылителем на металлические поверхности.

Решение

Основной принцип работы установки, позволяющей с помощью электрического поля улавливать мелкие частицы (пыль, дым) или направленно наносить частицы краски, основан на явлении электростатического притяжения. Если частицам сообщить электрический заряд, а затем поместить их в электрическое поле, то на них будет действовать сила Кулона, направляющая их движение. Величина этой силы определяется формулой:

$F = qE$

где $q$ — заряд частицы, а $E$ — напряженность электрического поля. Частицы будут двигаться к электроду, имеющему противоположный по знаку потенциал. На этом принципе основаны электрофильтры для очистки газов и системы электростатической покраски.

Проект установки для улавливания пыли и дыма (электрофильтр)

Такая установка, называемая электростатическим преципитатором (электрофильтром), предназначена для очистки промышленных газов от взвешенных частиц пыли и дыма.

Конструкция:
1. Корпус (осадительная камера): Обычно это большой металлический короб или труба, через который пропускается загрязненный газ. Стенки корпуса служат осадительными электродами и заземляются, т.е. имеют нулевой потенциал.
2. Коронирующие электроды: Внутри корпуса, на некотором расстоянии от стенок, размещаются тонкие провода или стержни с остриями. Эти электроды подключаются к отрицательному полюсу источника высокого напряжения (десятки киловольт).
3. Источник высокого напряжения: Создает большую разность потенциалов между коронирующими и осадительными электродами.
4. Система удаления осадка: Механизмы (например, встряхивающие молоточки) для периодического удаления слоя пыли с осадительных электродов и бункер для сбора этого осадка.

Принцип действия:
1. Загрязненный газ поступает в осадительную камеру.
2. Высокое отрицательное напряжение на коронирующих электродах вызывает коронный разряд. В результате этого разряда вблизи электродов образуется большое количество отрицательных ионов (и свободных электронов).
3. Частицы пыли и дыма, проходя через эту область, захватывают ионы и приобретают отрицательный электрический заряд.
4. Заряженные частицы, двигаясь вместе с потоком газа, попадают в сильное электрическое поле, созданное между коронирующими (–) и осадительными (заземленными, т.е. +) электродами.
5. Под действием силы Кулона $F = qE$ отрицательно заряженные частицы притягиваются к положительным (заземленным) осадительным электродам (стенкам корпуса) и оседают на них.
6. Очищенный газ выходит из установки.
7. Периодически система встряхивания сбрасывает накопившийся слой пыли в специальный бункер.

Ответ: Проект установки для улавливания пыли и дыма (электрофильтр) предполагает создание сильного неоднородного электрического поля внутри камеры. Частицам пыли и дыма сообщается отрицательный заряд с помощью коронного разряда, после чего они под действием электрического поля притягиваются и оседают на заземленных положительных электродах (стенках камеры).

Проект установки для экономии краски при нанесении распылителем

Эта технология называется электростатической покраской и позволяет значительно повысить эффективность переноса краски на окрашиваемую поверхность, снизить расход материала и уменьшить загрязнение окружающей среды.

Конструкция:
1. Распылитель (краскопульт): Специальный распылитель, в сопле которого встроен заряжающий электрод. Этот электрод подключается к одному из полюсов источника высокого напряжения (например, к отрицательному).
2. Окрашиваемый объект: Металлическая поверхность, которую необходимо покрасить. Объект должен быть хорошим проводником. Его заземляют или подключают к противоположному полюсу источника высокого напряжения (в нашем примере — к положительному).
3. Источник высокого напряжения: Обеспечивает разность потенциалов между соплом распылителя и окрашиваемым объектом.

Принцип действия:
1. Окрашиваемую металлическую деталь заземляют, сообщая ей положительный потенциал относительно распылителя.
2. Краска, проходя через сопло распылителя, приобретает отрицательный электрический заряд. Это происходит либо за счет контакта с заряженным электродом, либо за счет ионизации воздуха у сопла (коронный разряд).
3. Между отрицательно заряженным соплом и заземленной деталью возникает сильное электрическое поле.
4. Мельчайшие капли краски, вылетая из сопла, уже имеют отрицательный заряд. Во-первых, силы электростатического отталкивания между одноименно заряженными каплями способствуют их лучшему распылению (образованию мелкодисперсного облака). Во-вторых, под действием электрического поля $F = qE$ капли краски устремляются по силовым линиям поля точно к заземленной детали.
5. Благодаря этому краска не пролетает мимо, а эффективно оседает на поверхности. Силовые линии поля "огибают" объект, поэтому краска оседает даже на боковых и частично на обратной стороне детали, что значительно повышает качество покрытия и экономит до 50–60% краски по сравнению с обычным распылением.

Ответ: Проект установки для экономии краски предполагает сообщение каплям краски, вылетающим из распылителя, одного знака заряда (например, отрицательного), а окрашиваемой металлической детали — противоположного знака заряда (путем заземления). Создаваемое между ними электрическое поле направляет движение заряженных капель краски точно на деталь, обеспечивая их эффективное осаждение и минимизируя потери.