CHOVÁNÍ POLÉTAVÉHO PRACHU V ELEKTROSTATICKÉM POLI

Transkript

1 CHOVÁNÍ POLÉTAVÉHO PRACHU V ELEKTROSTATICKÉM POLI AURECHT. L, KOLLER J., STANĚK Z. ČVUT FEL katedar fyziky, Technická, 1 7 Praha, Česká Republika Úvod V současných interiérech sedimentuje polétavý prach zpravidla za spoluúčasti elektrostatických polí. Jejich příčinou jsou jednak elektrické náboje na předmětech z plastických hmot, jednak přístroje pracující s relativně vysokým napětím.. Tento příspěvek představuje v prvním přiblížení experimentální pohled na detailní chování kovových a dielektrických prachových částic při jejich sedimentaci na elektricky nabité ploše. Teorie Je známo, že částice jakékoli látky se cestou elektrické polarizace nebo cestou elektrostatické indukce stává v elektrostatickém poli dipólem pokud je původně, tj před vstupem do pole, elektricky neutrální. Je-li pole homogenní, projeví se to pouhým natočením dipóĺů do jeho směru. V nehomogenním elektrostatickém poli bude kromě natáčení na částice prachu jakožto dipóly působit síla vyvolávající translační pohyb. Uvažujeme podle obrázku 1 případ, že dipól je již natočený a tudíž rovnoběžný se směrem vektoru intenzity pole. Je-li E intenzita pole v místě záporného náboje, je v místě kladného náboje intenzita l E + l de dx F=-QE - + F =Q(E+ldE/dx) E Obr. 1. Prachová částice jako dipól ve vnějším elektrickém poli. de Odpovídající síly jsou F = QE a F = Q( E + l ) dx de de de Jejich výslednice F v = Q( E + l ) QE = Ql = p leží ve směru pole, kde p je dipólový moment dx dx dx dipólu a x je souřadnice ve směru elektrického pole. Činitelem, který rozhoduje o silovém působení elektrostatického pole na prachovou částici tedy není intenzita tohoto pole, ale hodnota de/dx, čili lokální spád intenzity. Ten je tím větší, čím je pole více nehomogenní. Nehomogennost pole je tedy rozhodující podmínkou pro silové působení. Kromě toho se zde uplatňuje dipólový moment p =Q*l. Síla F v působící v nehomogenním elektrostatickém poli na dipólovou částici se vektorově skládá s ostatními silami, zejména tíží, v sílu výslednou, která určuje pohyb a konečné usazení částice na předmětech. V interiérech vyvolávají nehomogenní elektrostatická pole zejména reziduální náboje na látkách, předmětech i osobách. Pro modelování takovýchto polí byla zvolena kruhová kovová deska připojená na generátor vysokého napětí. K ověření, že el. pole v okolí této desky je nehomogenní, vyjdeme z obrázku. IUAPPA Praha 133 Section:

2 K a s r dr R Obr.. Schéma použité usazovací desky. Předpokládáme, že na desce o poloměru R je elektrický náboj s plošnou hustotou σ. Na mezikruží o poloměru r a šířce dr bude elektrický náboj dq = πrσdr. Určíme nejprve potenciál el. pole v bodě K, který leží ve vzdálenosti a na rotační ose desky. ude mít velikost 1 πrσ dϕ = πε s Po integraci dostaneme potenciál vyvolaný celou deskou v bodě K: σ ϕ = ( a + R a) ε Z toho pak určíme intenzitu pole v tomtéž bodě: dϕ σ a E = = (1 ) da ε R a + Z posledního vzorce je zřejmé, že kovová kruhová deska připojená na elektrický potenciál může sloužit jako model elektrostatického pole vyvolaného na nějakém předmětu nebo technickém zařízení lokálním plošným nábojem. Měřením, např. snímačem typu field mill, lze zjistit, že nejčastější velikost nábojů na předmětech z plastických hmot, popř. na osobách je v rozmezí As. Při tom plošný rozsah lze odhadnout pro většinu případů na cca 1 cm. Proto byl průměr desky zvolen mm. Z toho vyplynula volba potenciálů na sedimentační desce v oboru prvních desítek kilovoltů. Dosavadní údaje se týkaly prachových částic, které byly před vstupem do el. pole bez vlastního náboje. Chování částic s nábojem ve vnějším elektrostatickém poli je poněkud komplikovanější a bude probráno při hodnocení naměřených výsledků. Uspořádání experimentu. Je znázorněno na obr. 3.Kovová deska 1 jakožto sedimentační plocha byla připojena na výstup stejnosměrného generátoru vysokého napětí. U generátoru bylo možno měnit polaritu. Prachové částice byly generovány pneumatickým rozprašovačem 3 jako jednorázové dávky. Kolmo na rovinu uspořádání byl umístěn koronový ionizátor, jímž bylo možno padající prachové částice záporně nabíjet cestou difuzního přisedání iontů. Sedimentaci a další děje na usazovací ploše bylo možno sledovat pomocí Tyndallova jevu. Zdroj světla a optika jsou na obrázku jako č.. Vše bylo umístěno ve speciální komoře. yly vyšetřovány vzorky kovových i dielektrických materiálů organického a minerálního původu. Stanovení počtu usazených částic bylo realizováno prostým čítáním částic v mikroskopu (průměr z opakovaného čtení na různých částech sedimentační elektrody) za použití objektivního měřítka a okulárové stupnice. Expoziční doba byla 3 s popř s. Závisle proměnnou veličinou na křivkách (obrázky až 19) je počet částic na jedné polovině zorného pole mikroskopu. V daném případě to byla plocha,5 čtverečního milimetru. Nezávisle proměnná na křivkách je potenciál usazovací elektrody. Velikost a rozměry částic byly charakterizovány tzv. Martinovým průměrem [1]. (Vyšetřované vzorky měly velikost v rozsahu 5 1 µm). IUAPPA 13 Section:

3 3 E VN R a 1 teflon Obr. 3. Schéma aparatury. bronz nabitý - usazovací elektroda záporná Martinův průměr:,1 -,11 mm bronz nabitý - usazovací elektroda kladná Martinův průměr:,1 -,11 mm bronz nenabitý - usazovací elektroda záporná bronz nenabitý - usazovací elektroda kladná 1 1 Martinův průměr:,1 -,11 mm Martinův průměr:,1 -,11 mm IUAPPA 135 Section:

4 hliník nabitý - usazovací elektroda záporná Martinův průměr:,75 -,939 mm 1 1 hliník nabity - usazovací elektroda kladná Martinův průměr:,75 -,939 mm hliník nenabitý - usazovací elektroda záporná 1 hliník nenabitý - usazovací elektroda kladná N [èástic na mìrné ploše za 1 min] Martinův průměr:,75 -,939 mm Martinův průměr:,75 -,939 mm korund nabitý - usazovací elektroda záporná Martinův průměr:,57 -,3 mm 1 korund nabitý - usazovací elektroda kladná Martinův průměr:,57 -,3 mm korund nenabitý - usazovací elektroda záporná Martinův průměr:,57 -,3 mm korund nenabitý - usazovací elektroda kladná Martinův průměr:,57 -,3 mm 1 3 IUAPPA 13 Section:

5 škrob nabitý - usazovací elektroda záporná prostý průměr částic:,7 -,19 mm škrob nabitý - usazovací elektroda kladná prostý průměr částic:,7 -,19 mm škrob nenabitý - usazovací elektroda záporná 1 5 prostý průměr částic:,7 -,19 mm N [èástic na mìrné ploše za 1 min] škrob nenabitý - usazovací elektroda kladná prostý prùmìr èástic:,7 -,19 mm Chování exponovaných částic je kromě elektrického pole ovlivněno řadou dalších činitelů, zejména materiálem, velikostí, tvarem a charakterem povrchu. Nenabité kovové částice v blízkosti elektrody se stávají cestou elektrostatické indukce dipóly, natáčejí se do lokálního směru siločar (tedy tečny k siločáře) a nakonec se usadí na elektrodě. Zde přestanou být dipóly, převezmou část náboje elektrody a v závislosti na vlastní tíze opět vlivem coulombovských sil odskočí od elektrody []. Ukazují to sestupné větve depozičních křivek. Nenabité dielektrické částice se v blízkosti usazovací elektrody polarizují. Natočí se do směru tečen k siločarám a uloží na elektrodu. Zde dojde ke zrušení polarizace a ta část povrchu částice, která je v bezprostředním kontaktu s usazovací elektrodou převezme její náboj. Má-li částice dostatečně nízkou hmotnost, je odpuzena od plochy jak to ukazují odpovídající křivky. Kovové částice nabíjené během sedimentace záporně se dle polarity depoziční elektrody na ní usazují ve zvýšené nebo naopak snížené míře pod vlivem Coulombových sil. Totéž platí o dielektrických nabíjených částicích. Při tom opět dochází v kontaktu s usazovací elektrodou (v některých případech) ke ztrátě vlastního náboje, přepólování a odpuzení. Částice, které jsou přirozenými dipóly pod vlivem hromadného přisedání iontů z korony tento svůj charakter ztrácejí a jejich chování se neliší od dielektrických částic bez dipólového momentu. Z uvedeného chování je ovšem mnoho výjimek. To platí tím více u prachů směsných. Závěr Výsledkem experimentů je několik zjištění: 1. V elektrostatických polích dochází vždy k redistribuci prachových částic bez ohledu na jejich původ, chemickou podstatu, látkovou formu, tvar, povrchovou strukturu, hustotu a existenci či neexistenci vlastního elektrického náboje. Jako sedimentační elektroda (popř. elektrody ) fungují zpravidla lokální plošné náboje na plastech a technických zařízeních.. Přednostně podléhají elektrostatickému přerozdělení a depozici částice nejmenší. 3. Užití elektrostatických polí k zachycování prachových částic a čištění vzduchu od nich může v některých případech mít efekt právě opačný, tedy sekundární rozprašování vyvolané odskakováním. IUAPPA 137 Section:

6 . Vzhledem k tomu, že ve většině interierů mají nezanedbatelný elektrický náboj i osoby, může elektrický redistribuční efekt být příčinou průniku vyššího a zdravotně významného množství prachu (např. kovového z dopravy a provozu strojů vně interieru) do dýchacích cest ve srovnání se stavem bez el. polí. Je možno konstatovat, že redistribuční elektrický efekt je významným negativním činitelem životního prostředí v obytných i pracovních interierech. Tento efekt se samozřejmě vyskytuje i ve volné přízemní atmosféře za vhodných meteorologických podmínek, zejména v ovzduší měst a průmyslových aglomerací. Častý je také při hromadném odkvétání rostlin a zvláště jehličnatých dřevin. Poděkování Tato práce byla podporována grantem GAČR 1/99/135. Literatura: [1] Landsperský H.: Měření povrchu a velikosti částic práškových materiálů. SNTL Praha, 197. [] ohm J.: Elektrické odlučovače. SNTL Praha, [3] Morton K.: Elektrické odlučovače na striedavé napatie. Sborník ČSVTS Statická elektřina, 19. [] Hollerová J.: Prašnost ve vnitřním prostředí. Sborník Přístroje pro úpravu vzduchu. SZÚ Praha, 199. [5] Slovák P., Kuba J.: Zapojení pro měření elektrostatických nábojů. AO 3, IUAPPA 13 Section: