Какое напряжение отталкивает а какое притягивает: Какой ток притягивает а какой отталкивает – что будет если дотронуться до фазы?

Какой ток притягивает а какой отталкивает – что будет если дотронуться до фазы?

Какой ток притягивает а какой отталкивает

Можно ли «успеть» дотронуться до проводника переменного тока в момент, когда амплитуда равна или близка к нолю и не получить повреждений?

Naeel Maqsudov 2785 7 месяцев назад Эксперт TQ по темам: IT, телеком, телефония, базы данных, интеграционные решения, естествознание, образование. АВТОР ВОПРОСА ОДОБРИЛ ЭТОТ ОТВЕТ

Абсолютно. Если в течение некоторого времени амплитуда переменного тока ≈0В, то прикосновение к нему в этот период безопасно. Банальный вопрос — банальный ответ.

Но мне кажется, что Вы имели в виду другой кейс, когда амплитуда напряжения, например, 200В, а прикосновение происходит в тот момент фазы колебания, когда мгновенное значение напряжения находится около нуля. Мне кажется ,что именно это Вы имели в виду.

Смотрите. Действительно, 100 раз в секунду проводник бытовой электросети оказывается безопасным. Время (продолжительность времени), в течение которого он бывает в этом состоянии нетрудно вычислить. Допустим, безопасным мы будем считать 24В. Продолжительность времени, пока мгновенное напряжение не превышает ±24В составляет

2 × arcsin(24/220) / 2π = 0.03479 сек

Такое счастье наступает 2 раза в секунду 🙂 Успеете?
Уверен, что лучше не стоит этого делать.

Скорость с которой вы можете двигать рукой не сможет обеспечить Вам движение к проводнику, потом торможение, а потом разгон для отрыва, чтобы время прикосновения не превышало 0.045 секунды.

Спасти Вас может только полное отсутствие заземления. Если Вы стоите на диэлектрике ничем ничего больше не касаетесь кроме проводника, то можете даже сами находиться под высоким напряжением ни чего не ощущая, как птица сидящая на проводе ЛЭП, но это уже другой вопрос. (Почему птиц не бьёт током, когда они садятся на провода?)

Источник: https://thequestion.ru/questions/482606/answer-anchor/answer/696815?utm_source=yandex&utm_medium=wizard#answer696815-anchor

Почему ноль не бьет током?

Здравствуйте! Удар током происходит, если есть путь прохождения тока. Если вы стояли на поверхности, которая не проводит ток, то при прикосновении, хоть к нулевому, хоть к фазному проводнику не будет удара током, так как нет пути прохождения тока. Но если прикоснуться одновременно к двум проводам, то получите удар током, так как в этом случае будет путь прохождения тока между руками.
Переменный ток – электрический ток, который в течение времени изменяется по величине и направлению. Ток по проводникам протекает, если к ним подключена нагрузка. Если нет нагрузки, то ни по нулевому, ни по фазному проводнику ток не течет.
1. Индикаторная отвертка показывает наличие потенциала – на фазе потенциал есть, на нулевом проводнике потенциал нулевой.
2. Мультиметр при измерении напряжения в сети переменного тока показывает 220 В независимо от того, как вы подключите щупы. В сети постоянного тока будет показывать 220 В, а если щупы поменять местами, то -220 В.
3. Если нагрузка не подключена, то по нулевому проводнику не протекает ток, на нем нет опасного потенциала. Но при подключении минимальной нагрузки по данному проводнику начинает протекать ток и если к нему прикоснуться и при этом будет путь прохождения тока (например, через ноги), то вы получите удар током. И если между нулевым проводником и ванной с водой будет разный потенциал, то это также приведет к поражению электрическим током. Ноль в электропроводке служит исключительно для питания нагрузки и во избежание негативных последствий к нему не следует прикасаться.

Источник: https://samelectrik.ru/pochemu-nol-ne-bet-tokom.html

25000 вольт; 250А… почему не убивает?

Работаю в сфере технического обслуживания и ремонта подвижного состава. Электрички. Специализация – электрооборудование.
Когда к нам приходит устраиваться очередной работник, то перед тем, как принять на работу, ему задают некоторые вопросы (чтобы решить, годен он вообще или нет к работе).
Если подающий заявление устраивается на узлы электроаппаратуры, то зачастую непосредственный начальник иногда просит меня (по причине того, что имею большой опыт, знания), посмотреть: годен этот человек на то, чтобы обслуживать электрическую часть электропоезда или нет.
Следует отметить, что схема электропоезда она очень большая. Состоит из сотен подсхем. Объем документации (только электрические схемы) составляет 3 огромные папки толщиной с тома Большой Советской Энциклопедии.
Понятно, что выучить их просто нереально. Основательно у нас работники, обслуживающие электроаппаратуру, выучивают схему только лет через 5-7 работы. Основательно – это когда работник может отыскать неисправность, не таская с собой электрические схемы, а держа это в памяти.
Понятно, что требовать от новичка это бесполезно. Он сможет работать только по схемам.
Но и в них он не сможет разобраться, если в нем нет того, что называется «пониманием электричества». Короче, электрик с мышлением «кухонного чинителя розеток» нам не нужен. Это обуза для коллектива. Все что он не будет успевать делать – будет ложиться на плечи остальных. Ибо поезд надо выдать из депо в срок.
Кроме того, на поезде присутствуют напряжения 110, 220, 3000 (до 3950) вольт, и бестолковый электрик, не понимающий электрического тока, может запросто прибить себя или своего коллегу.
Так вот за много-много лет работы ко мне, да и не только ко мне пришло понимание того, что самое важное в процессе обучения – «понимание электричества». Если хотите, то первоклассный электрик, глядя на схему, практически представляет, как бежит ток. Если этого нет, то вы никогда не найдете (будете как слепые котята тыкаться), куда же убежал ток, и почему например, при включении прожектора вдруг начинают открываться двери с правой стороны и закрываться с левой.

Итак. Перед тем как разговаривать с претендентом на работу я задаю ему 3-4 простых вопроса, и он должен дать на них аргументированный и правильный ответ. Если он на них не отвечает, то дальнейшие разговоры можно не продолжать. Для производства он бесполезен – просто будет балластом, причем не обучаемым, безо всякого пространственно-схемного мышления, и невозможностью прочитать схему. Он никогда не научится читать схему и понимать ее. Таких на работу и брать не стоит.
Если же он на эти вопросы отвечает, то тогда можно уже дальше с ним предметно разговаривать. Этот человек способен анализировать и понимать электрический ток, а уж изучение конкретных схем – дело времени. Он их освоит.

Для начала ремарка. Как известно, в справочниках по электробезопасности имеются следующие значения опасного и смертельного тока:

Цитата
0,001А = 1 мА (1 миллиампер) – ощутимый (ощущаемый) ток
0,01А = 10 мА (10 миллиампер) – опасный ток
0,1А = 100 мА (100 миллиампер) – смертельный ток

Так же существуют и опасные напряжения. Классифицируются они в зависимотси от типа помещения

Цитата
Опасные напряжения.
При содержании влаги 60 – 70%, или в помещении с железными или бетонными полами, если существует вероятность одновременного касания корпуса и пола – это помещение с повышенной опасностью.
При содержании влаги 100%, наличии вредной среды – это особо опасные помещения.
Наружные электроустановки – это установки, находящиеся на улице под открытым небом.
В помещениях с повышенной опасностью и в помещениях без повышенной опасности – опасным считается напряжение выше 42 В.
В особо опасных помещениях и наружных электроустановках – опасным считается напряжение выше 12 В.

Это то, что в правилах техники безопасности.
Если более бытовыми наблюдениями пользоваться, то мы знаем, что при попадании под напряжение 220 вольт имеется много случаев, когда люди гибли. Если же речь заходит о тысячах вольт, тот тут понятно, что это смертельно ( в большинстве случаев).
Итак что имеем. Чтобы убить человека достаточно 0,1 А. Ну или нескольких сотен вольт.
Вот тут я и задаю несколько каверзных вопросов:
Первый вопрос: В контактной системе зажигания напряжение на высоковольтных проводах доходит до 14000 вольт, а в бесконтактных системах – до 25000 вольт. При этом ни одного автоэлектрика или автолюбителя, кто попадал по действие этой системы не убило. Да, ощущения неприятные, но никого не убило. Почему (с объяснением)?
Второй вопрос: Современные аккумуляторные батареи 12 вольт могут выдавать стартовый ток до 400-600 Ампер. Сам стартер двигателя по зиме (когда вал тяжело проворачивается) нагружает цепь до 250 Ампер. И хотя есть масса случаев, когда при неисправности втягивающего устройства, люди гаечным ключом ( при этом касаясь руками как клемм, так и массы автомобиля) перекорачивают клеммы, заводя двигатель – еще никого ни разу не убило, хотя ток 250 Ампер в 2500 раз больше смертельного для человека тока 0,1 Ампера. Почему (с объяснением)?
Третий вопрос: Почему иногда можно наблюдать отечественный автомобиль марки ВАЗ (типа 08,09,099, и т.д), у которого при включении поворотника начинается «полная цветомузыка по обоим задним фонарям (габариты, стоп-синалы, сигналы заднего света). Почему (с объяснением)?
Ну и четвертый вопрос: Почему переменный ток опаснее постоянного? Объясните.

Большая просьба, преподавателям физики и электротехники – воздержаться от ответа (ибо им-то все ясно как божий день).

Ответ дам чуть позже, через несколько страниц (с картинками)

Из работы А. Ампера «…Относительно действий электрических токов»

§ 1. О взаимодействии двух электрических токов

…Одна из проволок была неподвижной, а другая, подвешенная на остриях и снабженная для увеличения подвижности противовесом, могла приближаться и удаляться от первой, оставаясь ей параллельной. Я наблюдал тогда при одновременном пропускании тока через каждую из проволок, что они притягивались друг к другу, когда оба тока были одинаково направлены, и отталкивались друг от друга, когда направление токов было взаимно противоположным.

Но эти притяжения и отталкивания электрических токов существенно отличаются от тех, которые вызываются электричеством в состоянии покоя. Во-первых, они прекращаются, как и процесс химического разложения, в тот момент, когда размыкается проводящий контур. Во-вторых, при обычных электрических притяжениях и отталкиваниях разноименные электричества притягиваются, а одноименные отталкиваются. В случае же электрических токов, как раз наоборот, притяжение наблюдается, когда две проводящие проволоки расположены параллельно таким образом, что одноименные концы находятся с одной стороны и очень близко один возле другого, а отталкивание — когда в параллельных проводниках токи имеют взаимно противоположные направления, так что одноименные концы находятся на возможно большем расстояния один от другого. В-третьих, когда имеющееся притяжение достаточно сильно, чтобы привести в соприкосновение подвижный проводник с неподвижным проводником, они остаются притянутыми друг к другу, как два магнита, а не разделяются тотчас же, подобно двум соприкоснувшимся вследствие взаимного притяжения разноименно наэлектризованным — одно положительно, другое отрицательно — проводящим телам. Наконец, — и по-видимому это последнее обстоятельство зависит от той же причины, что и предыдущие,- два электрических тока притягиваются и отталкиваются в пустоте так же, как и в воздухе, что опять противоречит тому, что наблюдается при взаимодействии двух проводников, наэлектризованных обычным образом. Здесь не идет речь о том, чтобы объяснить эти новые явления.

Притяжения и отталкивания (двух параллельных токов, смотря по тому, как они направлены, одинаково или противоположно, являются фактами, полученными из эксперимента, который легко может быть повторен. Чтобы избежать во время этого опыта колебаний подвижного проводника, вызываемых легким движением воздуха, прибор необходимо поместить под стекло, пропустив через подставку участки проводника, ведущие к концам вольтова столба. Наиболее удобным является следующее расположение проводников: один из них закрепляется горизонтально на двух опорах, другой подвешивается при помощи двух металлических проволок, составляющих с ним одно целое, к стеклянной оси, расположенной выше первого проводника и опирающейся очень тонкими стальными остриями на две другие металлические опоры. К остриям припаяны упомянутые выше две металлические проволоки, так что электрическое соединение устанавливается через опоры при помощи этих остриев…

Оба проводника расположены, таким образом, взаимно параллельно, один возле другого и в одной горизонтальной плоскости. Один из них может совершать колебания вокруг горизонтальной линии, проходящей через концы стальных остриев, и в этом своем движении он остается параллельным неподвижному проводнику.

Над серединой стеклянной оси установлен противовес, который увеличивает подвижность колеблющейся части прибора, повысив ее центр тяжести. Сперва я думал, что электрический ток должен быть установлен в каждом из проводников с помощью отдельного вольтова столба, но это не обязательно. Достаточно, если оба проводника являются частями одного и того же контура, так как электрический ток существует в нем повсюду с одинаковой интенсивностью. Из этого наблюдения следует, что в рассматриваемых явлениях не играют никакой роли электрические напряжения концов столба, ибо в остальном контуре напряжение, конечно, отсутствует. Это подтверждается еще и тем, что на большом расстоянии от вольтова столба можно заставить отклоняться магнитную стрелку при помощи очень длинного проводника, середина коего огибает стрелку сверху и снизу в направлении магнитного меридиана. Этот опыт был мне указан знаменитым ученым, которому физико-математические науки особенно обязаны великим прогрессом, достигнутым в наши дни. Опыт удался полностью.

Обозначим через А и В концы неподвижного проводника, через С — конец подвижного проводника, близкий к А, и через D — конец того же проводника, близкий к В. Если один конец столба соединить с А, затем соединить В с С, a D присоединить к другому концу столба, то ясно, что электрический ток в обоих проводниках будет одного направления, и мы увидим, что проводники притягиваются. Если же, наоборот, В соединить с D, а С — с другим концом столба, токи в обоих проводниках будут взаимно-противоположного направления, и проводники будут отталкиваться.

Так как притяжения и отталкивания электрических токов происходят во всех точках контура, то понятно, что одним неподвижным проводником можно притягивать и отталкивать сколько угодно других проводников, и изменять направление скольких угодно магнитных стрелок. Я намерен устроить прибор с одним неподвижным и двумя подвижными проводниками, так чтобы либо оба проводника одновременно притягивались или отталкивались, либо один притягивался, а другой в то же время отталкивался в зависимости от способа соединения их друг с другом.

Ввиду успеха опыта, указанного мне маркизом де Лапласом, можно было бы, взяв столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, и помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок. Соединяя поочередно концы столба с концами соответствующих проводников, можно было бы лицу, которое наблюдало бы за буквами на стрелках, передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. Если установить со стороны столба клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш, то этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто и не требовал бы больше времени, чем необходимо для нажатия клавиш на одной стороне и чтения каждой буквы на другой*.

Вместо того, чтобы давать подвижному проводнику перемещаться параллельно неподвижному, можно дать ему возможность лишь вращаться в плоскости, параллельной неподвижному проводнику вокруг общего перпендикуляра, проходящего через середины обоих проводников. Тогда, как следует из установленного выше закона притяжения и отталкивания электрических токов, будет происходить одновременное притяжение или отталкивание каждой половины обоих проводников, в зависимости от того, будут ли токи направлены в одну сторону или взаимно противоположно. Подвижный проводник будет при этом поворачиваться до тех пор, пока не станет параллельным неподвижному, так что токи в обоих проводниках будут одинаково направлены…

* После редактирования настоящего труда я узнал от г. Араго, что подобный телеграф был уже предложен г Земмерингом, с той лишь разницей, что вместо отклонения магнитной стрелки, тогда еще неизвестного, автор предлагал наблюдать разложение воды в стольких сосудах, сколько имеется букв — Прим авт.

§ 3. О взаимодействии между электрическим проводником и магнитом

Это взаимодействие, открытое г. Эрстедом, привело меня к открытию взаимодействия двух электрических токов друг на друга, действия земного шара на ток и к установлению того, что все те свойства, какие мы обнаруживаем у магнитов, вызываются распределением электричества вдоль замкнутых кривых, перпендикулярных к оси каждого магнита. Это распределение подобно тому, какое имеет место в проводнике электрического тока…

Я начал свое рассуждение, когда хотел найти причины новых явлений, открытых г. Эрстедом, с того, что порядок, в котором были открыты два явления, не имеет никакого значения для вывода аналогий, наблюдаемых в этих явлениях. Мы могли бы предположить, что, прежде чем узнали о способности магнитной стрелки принимать постоянное направление с юга на север, было известно ее свойство быть приводимой электрическим током в положение, перпендикулярное к этому току, таким образом, что южный полюс стрелки относится влево от тока. Лишь затем будто бы открыли ее свойство постоянно поворачивать к северу тот из своих концов, который относился влево от тока. Для того, кто хотел бы дать объяснение постоянному направлению стрелки с юга на север, разве не показалась бы самой простой мысль, которая непосредственно должна у него возникнуть, что в земле существует электрический ток, направленный таким образом, что север находится налево от человека, который, лежа на поверхности и обратившись лицом к стрелке, имел бы этот ток в направлении от ног к голове, т. е. что в земле существует электрический ток с востока на запад, в направлении, перпендикулярном к магнитному меридиану.

…Далее, если электрические токи являются причиной направляющего действия земли, то электрические токи будут также причиной направляющего действия одного магнита на другой. Следовательно, надлежит рассматривать магнит как собрание электрических токов, проходящих в плоскостях, перпендикулярных к его оси, и направленных таким образом, что южный полюс магнита, которым он обращается к северу, находится справа от этих токов… Я воспроизвел это расположение, насколько это было возможно, при помощи электрического тока по согнутому в спираль проводнику; эта спираль была устроена из латунной проволоки и имела на концах два прямолинейных участка из той же проволоки, которые были заключены в стеклянные трубки*, чтобы не сообщаться между собой и чтобы их можно было присоединить к двум концам столба.

В зависимости от направления, в котором пропускают ток через такую спираль, она действительно с силой притягивается или отталкивается полюсом магнита, который подносят к ней таким образом, чтобы направление его оси было перпендикулярно к плоскости спирали. Притяжение или отталкивание зависит от того, направлены ли электрические токи спирали и магнитного полюса одинаково или противоположно. Заменяя магнит второй спиралью, в которой ток направлен так же, как в магните, мы получаем такие же притяжения и отталкивания. Этим путем я открыл, что два электрических тока притягиваются, когда они одинаково направлены, и отталкиваются в обратном случае.

* Впоследствии я изменил это расположение… — Прим. авт.

Представление о магнитном поле / Хабр

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Что именно напряжение?

Быстрый ответ, первое приближение, эмпирический ответ: напряжение — это электрическое давление.

Но более подробно об этом: напряжение не похоже на напряжение, не совсем так. Вместо этого это математическая / физическая концепция, которая называется «потенциалы». Напряжение больше похоже на высоту в гравитационном поле, где каждый электрон или протон похож на валун. Высота не давление или вес или сила. Если валун находится на вершине холма, валун находится в месте с высоким потенциалом. Это означает, что валун хранит потенциальную энергию (PE) и будет высвобождать эту энергию в виде кинетической энергии (KE), если ему будет позволено двигаться вниз (перемещаться в место с низким потенциалом). Поднятый на такое же напряжение (высоту), большие валуны будет иметь более высокий PE.

Точнее: напряжение — электрический потенциал. Это не сила (это не похоже на прижимную силу или вес валуна, и это не похоже на величину силы, воздействующей на электрический заряд в электрическом поле.) Кроме того, напряжение не является потенциальной энергией, так как если мы уберем валун, тогда гравитация, высота и потенциал все еще существуют. Потенциалы являются частью самого поля. Образцы напряжения могут висеть в пустом пространстве.

Напряжение — это способ описания / визуализации / измерения электрических полей.

Чтобы описать электронные поля, мы можем нарисовать линии потока между противоположными электрическими зарядами. Или вместо этого мы можем нарисовать диаграмму напряжения, изопотенциальные поверхности, перпендикулярно линиям потока. Где бы мы ни находили электрические силовые линии, мы также найдем напряжение.

Что нет напряжения? Каковы типичные заблуждения? Вот один из них: «Напряжение — это потенциальная энергия». Нет, неправильно. Напротив, напряжение — это математическая концепция «Потенциалы», которые не являются энергией, и при этом они «не способны что-то делать». Вот еще одна ошибка: «напряжение — это потенциальная энергия на единицу заряда». Нет, неправильно. Это просто физическое определение единицы Вольт, связывающее ее с единицами Джоуля и Кулона. На самом деле все идет иначе: количество энергии (объем работы, проделанной при перемещении заряда через определенную разность напряжений) определяется путем умножения заряда на изменение напряжения! Электрическая энергия определяется напряжением! Но самому напряжению не нужны ни движущийся заряд, ни запас потенциальной энергии, поскольку напряжение — это способ описания поля в пустом пространстве. Тестовые заряды, используемые для описания напряжения, представляют собой мнимые бесконечно малые заряды. Еще одна ошибка: «На поверхности проводов появляется напряжение». Неправильно, напряжение на самом деле распространяется в пространство вокруг проводов. На полпути между вашими 9-вольтовыми клеммами батареи вы найдете потенциал 4,5 В, который висит один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, несколько сотен гигаом. Нормальные вольтметры 10Meg DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому они должны касаться поверхности проводника для измерения напряжения. Вы найдете потенциал 4,5 В, висящий один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, несколько сотен гигаом. Нормальные вольтметры 10Meg DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому они должны касаться поверхности проводника для измерения напряжения. Вы найдете потенциал 4,5 В, висящий один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, несколько сотен гигаом. Нормальные вольтметры 10Meg DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому они должны касаться поверхности проводника для измерения напряжения.

Что такое напряжение? Это стопка невидимых мембран, которые заполняют пространство между заряженными конденсаторными пластинами. Напряжение — это структура концентрических луковых слоев, которые окружают любой заряженный объект, причем луковые слои проходят перпендикулярно линиям потока электрического поля. Итак, «стопки слоев напряжения» — это один из способов описания электрического поля. Другой, более знакомый способ — использовать «силовые линии».

Дренажная терапия с использованием аппаратно-программного комплекса МИТ 11А

Методология трансдермального ввода лекарственных средств (управляемый молекулярный аквафорез),  дренаж микроциркуляторного  русла, лимфатической системы и венозного   кровотока,  дренаж кожи и ее производных,    восстановление  активности  внеклеточного матрикса, обменных процессов в клетках паренхиматозных органов, мышцах,   костно-связочном  аппарате,    все    эти    технологии   воплощены  в    аппаратно-программном комплексе МИТ 11 А.  (АПК МИТ 11А).  Эта разработка является результатом работ российских, белорусских, украинских и итальянских ученых в области регуляторной биорегенеративной медицины.   АПК МИТ 11А генерирует  электрические волны низкого напряжения и низкой частоты для неинвазивного лечения. Эти микротоковые волны  порождают стимулирующий эффект  и вызывают биорезонанс в биологических структурах, вызывая тем самым физиологический массаж, способствующий активации молекул, из которых состоит лимфа и жидкостная составляющая внеклеточного матрикса. Применение этих низкоинтенсивных частот по сложному алгоритму  позволяет генерировать  во  внутренней части тканей интересуемой нас зоны тела потоки естественных электрических зарядов, именуемых в специальной литературе, как «токи перемещения». Переменное электрическое поле по сложному алгоритму воздействия притягивает и отталкивает с чередованием, пропорциональным частоте, свободные электрические заряды в форме ионов, присутствующих в биологическом субстрате.     Под воздействием этих полей в тканях организма происходят сложные биохимические и биофизические процессы. Энергетическая активация биологических молекул путем применения волновой системы, провоцирует их миграцию по физиологическим каналам, следуя принципу активации по пути наименьшего сопротивления. Стимуляция,  вызванная работой  АПК МИТ 11А эффективно улучшает микро кровообращение в капиллярах, подвижность (мобилизацию) жиров, тонизирует и укрепляет ткани, удаляет  белковые скопления, лечит мышечные травмы, производит дренаж жидкостей, улучшает обмен веществ и клеточную деятельность,  уменьшает количество жира в локализированных отложениях  и  эдематозную  фибросклеротическую  панникулопатию (целлюлит).  Применение АПК МИТ 11А  уменьшает боль, вызываемую  венозно-лимфатическим застоем,   поддерживает мышечный тонус, кроме того, способствует физиологическому дренажу при отсутствии возрастания внешнего местного давления, причем результат действия аппарата довольно продолжительный. Результатом применения процедур на АПК МИТ 11А является способность вызывать резонанс в биологических структурах с вытекающим из этого повышением уровня  энергии в молекулах, вызывающее гиперемию, которая остаётся и после процедуры, оставляя приятное ощущение равномерного тепла во всем теле.   Гиперемия несёт кислород в ткани, вызывая глубокую и распространённую васкуляризацию, которая восстанавливает внутриклеточные  метаболические уровни,  что проявляется в выраженном   болеутоляющем эффекте и восстановлении ослабленных функций. Происходит восстановление циркуляции в сосудах кровеносной и лимфатической систем, расширение сосудов, оптимизация обменных процессов в зоне воздействия.  В результате диатермического воздействия  происходит  равномерное прогревание, как поверхностное, так и глубокое, внутрь сегмента тела, подлежащего лечению,  которое вызывает гиперемию, остающуюся также и после процедуры, и оставляет приятное ощущение равномерного  тепла.

Лечение пациента осуществляется путём прямого приложения микротоков через контактные электроды и через электрическое поле, создаваемое транспондером с электродами. Этот способ лечения  является высоко избирательным, так как затрагивается только строго определенная часть тела, замыкающая электрическую цепь.

Показания.

Разрушение белковых скоплений (агрегатов) с устранением отеков различного происхождения:

  • Лимфатический отёк  после  мастэктомии и  квадарантэктомии;
  • Лимфатические отеки, как  первичные так и вторичные;
  • Посттравматические отеки;
  • Послеоперационные отеки;
  • Отёк от недостаточного венозного оттока;
  • Укрепление мышечных стенок кровеносных сосудов и уменьшение боли от венозно-лимфатического застоя.

Лечение язв и пролежней:

  • Комбинированное лечение, увеличивая приток крови в больную зону, вызывает  ускорение формирования грануляционной ткани;
  • Дезинфекция и быстрое затягивание язв.
  • Устранение мышечного напряжения и костно-суставных болей с подготовкой тела к последующим реабилитационным процедурам.

Электроны нарушили закон сохранения импульса при облучении светом

John Briody / flickr.com

Физики из США неожиданно обнаружили, что падающие на поверхность золотой фольги фотоны притягивают свободные электроны, хотя закон сохранения импульса предсказывает другое направление тока. Чтобы получить «правильное» направление тока, ученым пришлось заполнить вакуумную камеру воздухом и облучить фольгу p-поляризованным лучом. Таким образом, большинство экспериментов по измерению аналогичного потока электронов придется пересмотреть. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на arXiv.org.

Закон сохранения импульса распространяется не только на механические столкновения тел, но и на отражение света от полированной поверхности металла. Проще всего смотреть на такое отражение как на механическое столкновение фотонов-частиц с частицами металла, однако аккуратный расчет в рамках классической электродинамики приводит к тому же закону сохранения. Очевидное следствие этого закона сохранения — это давление луча света, которое может сдвинуть с места тонкую металлическую пластинку. В начале XX века этот эффект исследовали сотни независимых экспериментов, причем одним из первых его проверил русский физик Петр Лебедев.

Особенно интересно рассмотреть рассеяние инфракрасных волн на поверхности благородных металлов — золота и серебра. Поскольку проводимость этих металлов почти целиком обусловлена свободными электронами, логично предположить, что эти электроны охотнее всего взаимодействуют со светом, а потом передают полученный импульс всему кристаллу. Следовательно, в небольшом слое около поверхности проводника должен течь небольшой ток, состоящий из отталкиваемых электронов. При этом из закона сохранения импульса следует, что поток электронов (не путать с электрическим током, который по определению течет в противоположную сторону) направлен перпендикулярно поверхности вдоль падающего луча света. Большинство экспериментов подтверждает это наивное соображение, однако в некоторых опытах направление тока получается обратным.

Группа физиков под руководством Генри Лезека (Henri Lezec) объяснила это противоречие и экспериментально показала, что при более внимательном рассмотрении интуитивное соображение оказывается неверным — падающие лучи света не отталкивают, а притягивают свободные электроны. Если металл находится в вакууме, то поток электронов пропорционален импульсу падающего пучка света и не зависит от поляризации света (что совпадает с теорией), но направлен к поверхности образца (что противоречит теории). Если же переместить ту же пластинку в воздух, то на поток электронов наложится ток от молекулярных адсорбатов, и результирующее направление тока изменится на противоположное. Таким образом, большинство экспериментов по измерению потока электронов придется пересмотреть.

В основе эксперимента, поставленного физиками, лежала тонкая отполированная золотая фольга (толщиной всего 35 нанометров), напыленная на поверхность кварцевого стекла. В качестве источника света ученые выбрали титан-сапфировый инфракрасный лазер с длиной волны 800 нанометров, энергией импульса пять миллиджоуль и продолжительностью импульса около 20 пикосекунд. С помощью поляризационных пластинок физики могли изменять поляризацию конечного пучка, падающего на фольгу. Кроме того, направляя пучок под разными углами, исследователи регулировали его поперечный импульс, а вместе с ним и величину ожидаемого потока электронов. Чтобы измерить едва заметное напряжение, которое генерирует этот поток, ученые подключили фольгу к усилителю. Чтобы увеличить импульс пучка, предварительно прошедшего сквозь стекло, ученые отшлифовали стекло до полукруглой формы. Наконец, ученые поместили прибор в вакуумную камеру, откачали воздух до давления 10−8 атмосфер и несколько часов просвечивали его ультрафиолетовой лампой, чтобы удалить из камеры остатки воды. На втором этапе наблюдений та же камера заполнялась воздухом при нормальном давлении, влажности 20 процентов и температуре 20 градусов Цельсия. Авторы статьи подчеркивают, что образованием квазичастиц-плазмонов в такой простой системе можно пренебречь, целиком сосредоточившись на потоке электронов.

Схема эксперимента с лучом света (a,b) и подключения золотой фольги (c)

Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Затем ученые измерили коэффициент передачи напряжения для разных конфигураций падающего луча, то есть коэффициент пропорциональности между генерируемым напряжением и средним импульсом падающих фотонов. Всего физики рассмотрели восемь случаев, которые определялись стороной пленки (чистой или «остекленной»), окружающей средой (вакуум или воздух) и поляризацией света (s- или p-поляризация). Теоретическое значение коэффициента, рассчитанное в рамках классической электродинамики, должно быть во всех случаях одинаковым и примерно равным −2,5 гигавольта на ньютон-секунду. На практике значения совпали с этим значением по порядку, но получились во всех восьми случаях разные. Более того, правильный знак физики получили только для одного случая — «голого», «неостекленного» бока пленки, помещенного в воздух и облученного p-волной.

Зависимость генерируемого перепада напряжений от угла падения света, стороны пластинки (показана во врезах) и поляризации (s-волны слева и p-волны справа)

Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Значения коэффициента передачи напряжения для вакуума (верхний ряд) и воздуха (нижний ряд) в зависимости от поляризации луча (верхний индекс) и стороны пластинки (нижний индекс, f — «голая» сторона, g — «остекленная»)

Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Наконец, ученые попытались теоретически объяснить перепады коэффициента передачи напряжения. Во-первых, для этого физики заметили, что коэффициент зависит от окружения только при облучении p-поляризованной волной (в случае s-волны он изменяется всего на несколько процентов). Во-вторых, исследователи пронаблюдали за изменением коэффициента во время медленного заполнения камеры воздухом. После этого предварительного анализа ученые решили, что, вероятнее всего, зависимость можно списать на поглощение воды поверхностью золотой пленки. Впрочем, в будущем физики собираются исследовать этот вопрос более аккуратно. Как минимум, им придется объяснить «неправильный» знак коэффициента передачи напряжения.

Зависимость генерируемого напряжения от времени заполнения (фиолетовый) и очистки (синий) камеры. Кроме того, рассмотрены случаи, в которых очистка дополняется облучением ультрафиолетом (красный) и нагревом до 400 кельвинов (желтый)

Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

В ноябре 2017 года мы писали о еще одном контринтуитивном эффекте, сопровождающем отражение света. Как правило, если посветить пучком света с круговой поляризацией на зеркало, поляризация луча изменится на противоположную. Однако американские физики построили необычное многослойное зеркало, которое не изменяет поляризацию падающих лучей: благодаря периодическому массиву несимметричных отверстий в одном из слоев, поляризованный свет, закрученный в одну сторону, полностью поглощается, а закрученный в другую — отражается с сохранением поляризации.

Дмитрий Трунин

Электростатика

. Почему атомы отталкиваются, когда они ближе, но притягиваются, когда они находятся дальше друг от друга?

Я вижу, что вы углубляетесь в кроличью нору, и это может быть продолжением нашей предыдущей дискуссии о том, почему твердое вещество ведет себя так, как динамика твердого тела подсказывает с микроскопической точки зрения.

Поскольку в своем предыдущем вопросе вы сказали, что в старшей школе я не собираюсь переходить к математике или абстрактным концепциям, лежащим в основе этого, я собираюсь попробовать более интуитивный подход.Проблема здесь в том, что в нашем предыдущем обсуждении нам было легко сосредоточиться на классической механике, где физика более или менее интуитивно понятна (все мы кое-что знаем о том, что такое сила и как работает пружина), но здесь мы должны иметь дело с концепциями, которые полностью выходят за рамки любой мыслимой «интуиции здравого смысла»; концепции, которые необходимо развивать в течение многих лет в университете, концепции, требующие сложной математики и изрядной легкости, более простые, но все же сложные концепции, составляющие основы, концепции квантовой механики, которые настолько далеки от нашего повседневного макроскопического опыта Реальность заключается в том, что многие физики просто избегают попыток понять их концептуально и просто придерживаются принципа «Заткнись и посчитай!» учение.Я говорю это потому, что то, что я собираюсь сказать вам, не только чрезмерное упрощение, но мне также нужно будет использовать метафоры и другие игрушечные модели, которые могут быть ближе к нашему повседневному опыту, чтобы объяснить это, и в процессе выполнения поэтому я хочу, чтобы вы поняли, что они всего лишь модели, и ко всему, что я собираюсь сказать, следует относиться с недоверием. Правда в том, что в математическом языке все ясно, но при попытке использовать слова все может доходить даже до абсурда (поскольку человеческие языки эволюционировали, чтобы приспособиться к нашему повседневному восприятию мира, а не этой сфере реальности), поэтому, пожалуйста, помните, что все имеет правильное и более строгое объяснение.


СХОДСТВА И РАЗЛИЧИЯ С ПРУЖИНАМИ

В классической механике мы узнаем о потенциальной энергии. Обычно это проявляется как некая / «скрытая» форма кинетической энергии объекта, энергии, которая потенциально может быть высвобождена и ожидает преобразования в реальную кинетическую энергию. Это наш первый пример интуитивного, но неточного подхода к физической концепции.

Важно то, что потенциальная энергия различна в разных контекстах (ситуациях с точки зрения пространства и времени), в зависимости от того, имеет ли эта энергия больший или меньший потенциал для превращения в кинетическую энергию.Например, камень на полу обычно считается имеющим нулевую потенциальную энергию, поскольку нет никаких средств заставить его двигаться (чтобы увидеть, как он набирает кинетическую энергию), пока кто-нибудь на нем не начнет действовать. Но камень на вершине здания «Империя-Стейт» потенциально способен накапливать огромное количество кинетической энергии, как только он начинает падать. Как вы можете видеть, мое объяснение предполагает некую субъективность в отношении того, что на самом деле означает наличие потенциала для движения, но на самом деле потенциальная энергия — это хорошо определенная величина в физике, которая имеет некоторое понятие релятивизма с точки зрения того, где вы размещаете » ноль потенциала ».Я не собираюсь подробно останавливаться на этом, поскольку это не так полезно и является одним из основ классической механики.

Меня здесь интересует объяснить, что эта зависимость потенциальной энергии с точки зрения местоположения, момента времени и других контекстных параметров предлагает взгляд на мир, в котором потенциальная энергия представляет собой «ландшафт». Поскольку сила — это изменение движения объекта, а движение связано с кинетической энергией, мы можем видеть, что этот «ландшафт» на самом деле связан с поведением силы.Мы склонны думать об этом так: наклон на местности «ландшафта» потенциальной энергии говорит нам, какая сила (изменение в движении) будет действовать в любой момент времени, наклон — это фактически скорость, с которой потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую. 2/2-x_0x) $

Что на графике $ U $ против $ x $ выглядит так:

Интересно то, что эти «ландшафты» потенциальной энергии очень полезны с точки зрения предоставления некоторой интуиции об эволюции системы.Вы можете вообразить мяч, катящийся с холма на этом «ландшафте», и связать это с изменяющимся состоянием системы. В нашем случае мяч может катиться вниз по склону (когда мы движемся через ось $ x $ графика), а затем продолжать движение вверх, пока сила не вернет его вниз на другую сторону. Это создаст так называемый гармонический осциллятор, и пружины будут такими: если вы сожмете их (низкий $ x $), они будут расширяться (до высокого $ x $), а после расширения они собираются снова сжиматься в бесконечном колебание.В реальной жизни существуют фрикционные взаимодействия, которые заставляют эту систему демпфировать, поэтому мяч, наконец, попадает в статическое положение в точке равновесия (нижняя часть впадины). Эта точка равновесия фактически достигается, когда пружина расслаблена (нет необходимости в сжатии и расширении), или математически, когда $ x = x_0 $ (что означает $ F = 0 $).

Отлично! Итак, какова же форма внутримолекулярного понятийного ландшафта? Этот:

Это называется потенциалом Леннарда-Джонса и, как вы можете видеть, немного сложнее, чем потенциал, связанный с признаком.У них обоих есть некоторые качественные общие черты; если вы расширите пружину (если вы немного разделите атомы), она попытается сжаться (атомы будут притягивать друг друга), а если вы попытаетесь сжать пружину (приблизить атомы друг к другу), она попытается расшириться ( атомы будут отталкивать друг друга). Это потому, что оба потенциала выглядят как долина.

На самом деле обе системы являются осцилляторами (но потенциал Леннарда-Джонса не для простого гармонического осциллятора, просто немного отличается), это означает, что если вы разделите атомы, они будут притягивать друг друга ближе и по инерции чтобы превзойти точку равновесия и приблизиться к нему.Фактически, достаточно, чтобы начать отталкивать друг друга и периодически расширяться. На самом деле связи между атомами в молекуле обычно колеблются, эти колебания внутри молекул объясняют многое в физике (почему небесно-голубой цвет или как температура определяется с микроскопической точки зрения). Но если происходит какой-то диссипативный процесс (например, трение пружины), колебания между атомами в молекулах и твердых телах затухают, пока атомы не достигнут равновесного расстояния (как длина релаксации пружины).

Но химические связи — это не пружины, и на самом деле между ними есть несколько ключевых отличий. Как видите, потенциал Гука симметричен, а потенциал Леннарда-Джонса — нет. Вы можете представить это как пружину, которая гораздо сильнее реагирует на сжатие, чем на расширение. Вы также можете увидеть (если представить себе мяч, катящийся с холма), что вы поместите атомы очень близко друг к другу, будут ли они отталкиваться друг от друга настолько, что они собираются уходить бесконечно далеко (связь может быть разорвана этим методом. ).Этого не происходит с пружинным футляром, вы можете сжимать его столько, сколько хотите, и после расширения он вернется обратно. Таким образом, в атомах есть минимальная энергия, позволяющая полностью разрушить связанную систему молекулы, но этого не происходит с пружинами. Все это видно только по форме этого потенциала.

Итак, мы знаем, что потенциал гармонического осциллятора (потенциал Гука) возникает из механической силы, связанной с упругим натяжением пружины и описываемой законом Гука.Но какова природа силы, порождающей потенциал Леннарда-Джонса? Что ж, асимметричный характер этого предполагает, что, возможно, есть две разные причины (одна сила может объяснить сопротивление расширению связей, а другая, совершенно разная по своей природе, может объяснить сопротивление сжатию связей), и действительно это это так. Итак, давайте рассмотрим каждую причину отдельно.


НАПРЯЖЕНИЕ

Можно подумать, что притяжение между двумя атомами напрямую объясняется законом Кулона, поскольку в игру вступают электрические заряды и электрические силы, но истина более сложна.2 = в 4 раза сильнее.

Это очень похоже на гравитационное взаимодействие, но ключевое отличие состоит в том, что «гравитационный заряд», масса, всегда положительный, в то время как электрический заряд может быть двух видов. Это означает, что вы можете сконцентрировать заряды таким образом, чтобы защитить друг друга, чтобы сделать весь ансамбль нейтральным (без заряда). Вы не можете сделать это с массой, потому что нет возможности добавить массу к объекту и перестать к нему притягиваться.

Атомы в твердом теле обычно нейтральны. Это связано с тем, что заряд электрона такой же, как заряд протона, и, следовательно, любой атом с таким же количеством электронов и протонов в целом нейтрален.Нет никаких кулоновских причин, почему они должны привлекать друг друга.

Но дело в том, что вещи более тонкие. В игре есть два явления; Силы Ван-дер-Ваальса и силы лондонской дисперсии. Оба они фактически основаны на законе Кулумба. Дело в том, что атомы, даже если они нейтральны, могут поляризоваться. Это означает, что заряды внутри них могут сместиться, когда другой заряд приблизится к атому. Предположим, что электрон приближается к атому водорода (один протон и один электрон), этот входящий электрон будет отталкивать электрон внутри атома и притягивать протон к ядру, сила крошечная (поскольку сила связи между электроном и протоном в атом огромен из-за их близости), поэтому атом не разлетится на части, но этого достаточно, чтобы создать дисбаланс в расположении заряда внутри атома.6 $

Соответствующий потенциальный ландшафт выглядит следующим образом:

Что имеет смысл. Если вы уроните мяч на эту местность, он упадет влево (меньше $ x $), точно так же, как притяжение двух атомов из-за сил Ван-дер-Ваальса и Лондона быстро сократит их относительное расстояние $ x $ по мере приближения.


ОТКЛОНЕНИЕ

Ваша схема причин отталкивания неверна. Более того, модель атома, которую вы используете, является одной из первых моделей атома, так называемая атомная модель Резерфорда.Эта модель была одной из первых попыток понять структуру атомов, но она очень примитивна (она предшествует квантовой механике) и дает ужасные предсказания (например, тот факт, что атомы существуют лишь в течение нескольких наносекунд в соответствии с моделью). Модель объясняет атом как миниатюрную Солнечную систему с электронами, вращающимися вокруг ядра с помощью силы Кулумба. Электрон вращается как классическая частица.

На смену модели Резерфорда пришла модель Бора и, в конечном итоге, модель атома Шёдингера (модель с огромными возможностями предсказуемости, которую мы обычно изучаем в университете).Эти новые модели, в которых квантовая природа и вещи стали более странными. Вместо того, чтобы представлять электрон как планету, вращающуюся вокруг звезды, вы должны представить себе, что вероятность нахождения электрона где-нибудь в пространстве, окружающем ядро, порождает то, что мы называем электронным облаком. Позволь мне объяснить. В квантовой механике слово «вероятность» не означает то, что мы обычно думаем, это не факт, что электрон может быть где-то где-то, но мы на самом деле не знаем, поэтому мы приписываем вероятности каждому его возможному положению, НЕТ! это больше похоже на положение электрона, которое по сути не определено, его существование распространяется по всему пространству.Вместо «вероятности нахождения электрона здесь и там» было бы более полезно думать об этом как о «количестве существования» / присутствия электрона в пространстве. Карта, определяющая количество существования электрона, называется волновой функцией. Эта «карта существования» называется так, потому что карта меняется с течением времени, и, как выясняется, она изменяется таким образом, что напоминает поведение волны. Это сложно понять и использовать такие слова, как «волна», «количество существования» и т. Д…. опасно, потому что звонит в колокол в нашем сознании и напоминает расплывчатые и неточные образы того, что на самом деле происходит (что мы знаем с высокой точностью и конкретностью). Я пытаюсь прямо сказать о чем-то, что невозможно понять с помощью наших предвзятых классических представлений о мире, поэтому мы должны быть осторожны, чтобы не впасть в псевдонаучную чепуху. Фактически, целая область исследований квантовой механики посвящена тому, какие философские выводы можно или нельзя привнести и как следует интерпретировать теорию.Дело в том, что в некоторых интерпретациях вещи не на 100% существуют или на 100% не существуют, но существует градиент существования от 0% до 100% для каждой характеристики физического объекта. Положение электрона не определено на 100%, существует некоторое количество существования для электрона в каждой точке пространства, например, вдали от атома электрон существует очень мало, и область, где преимущественно распространяется существование электрона, является то, что мы называем электронным облаком. Опять же, эта область определяется картой существования, которую мы называем волновой функцией.эта карта меняется во времени, если волна не является стационарной, как в простом невозбужденном атоме. Электронные облака во многих случаях даже не имеют формы орбиты или сферического каркаса, они могут быть очень сложными по форме. Итак, ваша модель атома так же точна, чтобы объяснить то, к чему вы хотите обратиться, как снеговик точна, как модель человека, чтобы объяснить, что такое эмоции.

Итак, откуда исходит эта отталкивающая сила? Что ж, оказывается, что если вы поиграете с математическими основами квантовой механики, вы придете к идее исключения Паули.Этот принцип гласит, что два идентичных фермиона (которые представляют собой частицы определенного типа) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Для нашего конкретного случая это означает, что никакие два электрона не должны занимать одно и то же место в пространстве. Электроны являются фермионами, но есть частицы, которые не подчиняются этому принципу, например фотоны (которые являются не фермионами, а бозонами) и действительно могут занимать одно и то же место. Дело в том, что, когда мы интерпретируем, что такое электрон, становится трудно утверждать, что электрон занимает какое-то конкретное место в пространстве, поскольку количество его существования распространяется по всему пространству.Итак, что именно означает, что два электрона не могут занимать одно и то же место? Что ж, оказывается, это означает, что между ними существует отталкивание, пропорциональное перекрытию пространств их существования. Эта формулировка становится все более странной, но, возможно, с ее помощью мы сможем хотя бы немного разобраться в проблеме. Конечным результатом является так называемая сила отталкивания Паули. Мы не собираемся объяснять, как это выводится из постулатов квантовой механики, и мы не собираемся делать какой-либо разумный путь без математики, но, по крайней мере, вы можете иметь некоторую интуицию о том, что происходит с этими изображениями.{12} = 4096 $ раз сильнее. Таким образом, они ведут себя аналогичным образом, но сила Паули по сравнению с ними чрезвычайно чувствительна.

Мы можем нарисовать соответствующий «ландшафт» для потенциала, связанного с этой силой, следующим образом:

Как видите, он не только отталкивающий (мяч в этой местности быстро упадет вправо; расстояние между атомами $ x $ будет быстро увеличиваться), но и очень сильное по сравнению с потенциалом притяжения. Ясно, что это заметно только при малых $ x $ (на близких расстояниях) и не обнаруживается на больших расстояниях.


СОСТАВЛЯЕМ ВСЕ ВМЕСТЕ

Наконец-то мы можем увидеть, что здесь происходит. Существует объединенное Ван-дер-Ваальсово-лондонское притягивающее взаимодействие между атомами из-за асимметрии, создаваемой электронными облаками обоих атомов в распределении заряда, и существует отталкивающее взаимодействие из-за принципа исключения Паули. Оба явления можно сложить вместе (притяжение с отрицательным знаком, поскольку сила притяжения пытается уменьшить $ x $, а отталкивание с положительным знаком по противоположной причине) и показать нам, что общая сила, действующая на каждый атом, имеет форма

$ F = A / x ^ {12} -B / x ^ 6 $

Где $ A $ и $ B $ — константы пропорциональности, которые меняются для каждого взаимодействия. 6 $ и, следовательно, $ x = \ sqrt [6] {A / B} $.На этом расстоянии притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга. Как вы можете видеть, это разделение равновесия (которое определяет длину химической связи) зависит от параметров $ A $ и $ B $. Это причина того, что разные атомы образуют более сильные или более слабые связи с большим или меньшим расстоянием между атомами. Это также связано с колебаниями, которые происходят в молекулах (которые мы могли бы упрощенно трактовать как коэффициент жесткости $ k $ механической пружины).

Наконец, мы можем видеть все это как ландшафт потенциальной энергии.Мы должны просто сложить две предыдущие кривые.

Резюме: черная кривая — это потенциал Леннарда-Джонса между двумя атомами, который разлагается на потенциал притяжения (синяя кривая) и потенциал отталкивания (красная кривая).

Вот почему мы можем в некотором приближении рассматривать взаимодействие как пружину. Потому что он похож на параболический потенциал пружины.

Напоследок хочу еще раз рекомендовать вам серию «Механическая вселенная».Они объясняют основы всего, что вам следует понять, прежде чем переходить на университетский уровень физики. Они объясняют это пружинящее поведение атомных связей простой анимацией:

В случае капель противоположности отталкиваются | Наука

С тех пор, как американский эрудит Бенджамин Франклин изложил терминологию в 1748 году, а французский физик Шарль-Огюстен де Кулон разработал закон, он стал аксиомой: объекты с противоположными электрическими зарядами — положительным и отрицательным — притягиваются друг к другу.Но новое наблюдение меняет эту концепцию. Противоположно заряженные капли жидкости взаимно притягиваются, а те, у которых много заряда, отскакивают друг от друга. Полученные данные могут вызвать переосмысление некоторых важных промышленных процессов, таких как электростатическое отделение воды от сырой нефти.

Странное явление было обнаружено случайно. В 2005 году инженер-химик Уильям Ристенпарт из Калифорнийского университета в Дэвисе изучал влияние электрического заряда на капли воды, взвешенные в масле.Когда две противоположно заряженные капли приближаются друг к другу, они притягиваются. Поскольку капли податливы, растяжение деформирует их, в результате чего каждая из них образует на своей поверхности форму, называемую конусом Тейлора. Обычно конусы соприкасаются, образуя мостик между капельками, которые затем сливаются. Но когда Ристенпарт непреднамеренно поднял заряд слишком высоко, капли не только не сливались, но и отскакивали друг от друга. «Я думал, что это было захватывающе и очень запутанно», — говорит он.

Для этого элемента требуется подключаемый модуль Flash (версии 8 или выше).В вашем браузере также должен быть включен JavaScript.

Загрузите последнюю версию бесплатного подключаемого модуля Flash.

Две капли отскакивают назад и вперед в сильном электрическом поле.

Источник: W. D. Ristenpart et al., 2009

Ристенпарт и его коллеги Эндрю Бельмонте, Джейси Берд и Ховард Стоун провели 3 года в лаборатории Стоуна, а затем в Гарвардском университете, исследуя тайну. Решение, оказывается, заключается в точной форме конусов Тейлора.Используя высокоскоростное видео, команда Ристенпарта обнаружила, что если капли несут низкие или умеренные заряды, создаваемые электрическим полем определенной силы, то конусы относительно короткие и широкие, с большим углом на их вершинах. Однако, если капли сильно заряжены, они так сильно притягиваются друг к другу, что конусы становятся высокими и тонкими с небольшим углом на концах.

Это различие является ключевым, потому что, когда две капли соприкасаются, внешнее электрическое поле становится незначительным в точке соприкосновения.Это означает, что слияние капель полностью зависит от формы крошечного жидкого мостика между ними. Если мостик состоит из коротких и широких конусов, то поверхностное натяжение жидкости имеет тенденцию стягивать капли вместе, чтобы образовалась одна большая капля. Но если перемычка состоит из двух узких конусов, то поверхностное натяжение тянет жидкость обратно к отдельным каплям и приводит к разрыву перемычки. Как сообщается в журнале Nature, в отсутствие электрической силы, удерживающей капли вместе, они отскакивают друг от друга.Фактически, исследователи обнаружили, что существует «критический угол» — и, следовательно, «критический заряд», выше которого капли отказываются сливаться.

Это открытие, вероятно, объясняет, почему нефтяная промышленность не смогла достичь большей эффективности в электростатическом удалении воды из сырой нефти, говорит Ристенпарт, процесса, который использовался почти столетие, хотя он добавляет, что этот процесс чрезвычайно сложен. соблюдать из-за непрозрачности масла.

Результаты «ошеломляющие», — говорит физик Фридер Мугеле из Университета Твенте в Энсхеде, Нидерланды.По его словам, полученные данные могут иметь значение для различных применений, таких как окраска, производство синтетических волокон и выполнение масс-спектрометрии, и это лишь некоторые из них, которые зависят от точного контроля крошечных капелек жидкости, усиленных электрическими полями. Также возможно, говорит он, что этот эффект играет роль в образовании дождевых облаков с точки зрения того, насколько хорошо составляющие их капли водяного пара держатся вместе, хотя в этом случае «потенциальное воздействие [исследования] более сложно судить.«

Наука о поверхностно-активных веществах: сделайте молочную радугу

Ключевые концепции
Физика
Химия
Жидкости
Молекулы
Поверхностное натяжение
Мыло

Введение
Вы когда-нибудь делали декоративные радуги на День Святого Патрика? Их можно весело сделать из цветной плотной бумаги или других принадлежностей для рукоделия. Но знаете ли вы, что простой можно приготовить из молока, жидкого мыла, моющего средства и пищевого красителя? То, как эта смесь создает радугу, может вас удивить! В этом научном упражнении вы создадите свою собственную молочную радугу и исследуете, как моющее средство и поверхностное натяжение участвуют в ее создании.

Фон
В жидкости молекулы (небольшие отдельные частицы, которые могут иметь положительный и отрицательный заряды на своей поверхности) могут, как магниты, притягивать и отталкивать друг друга. В случае молекулы воды, окруженной со всех сторон другими молекулами воды, существует примерно одинаковое количество тянущей и толкающей силы. Общий эффект без изменений. Но на поверхности, где молекулы воды подвергаются воздействию воздуха с одной стороны, молекулы воды испытывают большее притяжение вниз, к другим молекулам воды под ними, чем вверх, к воздуху.Это заставляет воду на поверхности сокращаться, уменьшая площадь ее поверхности. Это явление называется поверхностным натяжением.

Некоторые соединения влияют на поверхностное натяжение воды: некоторые из них являются гидрофильными (или полярными), которые притягиваются к воде. Другие, однако, гидрофобны (или неполярны) и отталкивают воду. Некоторые соединения обладают обоими свойствами. Когда такое соединение добавляется в воду, гидрофильный конец будет пытаться приблизиться к молекулам воды, тогда как гидрофобный конец будет отталкиваться от них.Это тянущее и толкающее действие отделяет молекулы воды друг от друга и, как следствие, снижает поверхностное натяжение. Соединения, снижающие поверхностное натяжение воды, известны как поверхностно-активные вещества.

Материалы

  • Молоко; 1 процент, 2 процента или всего

  • Тарелка или другая неглубокая посуда, например алюминиевая форма для пирога (убедитесь, что дно плоское и не мнется.)

  • Красный, желтый, зеленый и синий пищевой краситель.Можно также использовать другие или меньшее количество цветов для создания чего-то другого, кроме четырехцветной радуги.

  • Ватный тампон

  • Жидкое средство для мытья посуды или жидкое стиральное средство

  • Бумажные полотенца (пригодятся для последующей уборки)

Препарат

  • Поскольку это мероприятие связано с окрашенным молоком, лучше всего выполнять его на открытом воздухе или на поверхности, на которую может безопасно пролиться краситель в случае аварии.Выполнение этого действия возле раковины или шланга облегчит уборку в конце.

Процедура

  • Медленно налейте в тарелку достаточно молока, чтобы дно было полностью покрыто. Дайте молоку немного отстояться.

  • Добавьте по одной капле пищевого красителя каждого цвета в молоко, образуя горизонтальную линию капель у дна тарелки. Чтобы сделать простую четырехцветную радугу, добавьте цвета в следующем порядке слева направо: красный, желтый, зеленый, затем синий.Как вы думаете, капли станут радугой?

  • Коснитесь одним концом ватного тампона прямо под серединой линии капель на обычном молоке. Что случается?

  • Возьмите другой конец ватного тампона и натрите его жидким мылом для посуды. Прикоснитесь концом, покрытым мылом, к той же области, что и раньше, прямо под серединой линии капель на простом молоке. Что происходит на этот раз?

  • Попробуйте прикоснуться к некоторым другим участкам молока концом ватного тампона, покрытым мылом.Что произойдет, если вы продолжите прикасаться к молоку в других местах?

  • Удерживайте конец ватной палочки, покрытый мылом, в одном месте на несколько секунд. Что случается? Если вы подержите тампон в молоке достаточно долго, разве вы больше не увидите такого же эффекта?

  • Дополнительно: попробуйте это упражнение с молоком с разным содержанием жира (например, обезжиренное, 1 процентное, 2 процентное, цельное и т. Д.). Как меняются результаты при использовании разных видов молока?

  • Дополнительно: в этом упражнении вы должны были видеть простую четырехцветную радугу, но вы также можете попробовать сделать более сложную семицветную радугу.Для этого вам нужно смешать пищевые красители, чтобы получился оранжевый, индиго и фиолетовый, а затем добавить их в линию капель на тарелке. Например, вы можете попробовать смешать одну каплю красного и одну каплю желтого пищевого красителя, чтобы получился оранжевый. Можно ли таким образом сделать семицветную радугу?

  • Extra: В этом упражнении использовалось молоко, но вы могли попробовать и другие жидкости, такие как вода, чистая сода и топленое масло. Получили ли вы такой же результат, используя другие жидкости, кроме молока?

Наблюдения и результаты
Вы видели, как пищевой краситель удаляется с ватного тампона, покрытого мылом, когда вы дотрагивались им до молока, образуя четырехцветную радужную полосу на тарелке?

Когда вы прикоснулись к молоку простым ватным тампоном (без мыла), вы не заметили никакого эффекта.Однако, прикоснувшись к молоку покрытым мылом концом, вы должны были увидеть, как пищевой краситель быстро отходит от ватного тампона. Поскольку в молоке была сделана полоса капель пищевого красителя, размещение ватного тампона ниже середины линии должно было привести к тому, что пищевой краситель образовал четырехцветную радугу, поскольку все полосы и спирали поднимались по тарелке, удаляясь от хлопка тампон.

Моющее средство, такое как жидкое мыло для посуды, в основном состоит из поверхностно-активных веществ. Они могут снизить поверхностное натяжение воды, а также молока, которое содержит воду и молекулы жира.Поверхностно-активные вещества имеют гидрофильную часть, которая хочет взаимодействовать с водой, и гидрофобную часть, которая хочет взаимодействовать с молекулами жира. Из-за этого, когда ватный тампон с мылом касался молока, мыло отделяло жир от воды в молоке, растворяя жир (именно так мыло очищает жирную грязную посуду). Это также снизило поверхностное натяжение молока. По мере того, как мыло растекалось с ватного тампона, оно уменьшало поверхностное натяжение молока вокруг него, а более высокое поверхностное натяжение, окружающее эту область, притягивало молоко (вместе с его пищевым красителем) к нему.Однако, если добавлено достаточное количество мыла, мыло и молоко станут равномерно смешанными, и молоко (и пищевой краситель) больше не будут двигаться при добавлении большего количества мыла.

Очистка
Не пейте окрашенное молоко, потому что в нем есть мыло. Вместо этого аккуратно вылейте окрашенное молоко прямо в слив раковины, стараясь не разбрызгивать саму раковину. (Вы также должны запустить воду, когда будете наливать.) Если вам нужно переместить тарелку в раковину, проще всего добавить на тарелку несколько бумажных полотенец, чтобы впитать немного крашеного молока (и предотвратить проливание. ) перед попыткой переместить пластину.

Дополнительные материалы для изучения
Введение в поверхностное натяжение, от Массачусетского технологического института
Наука о прачечной 101: поверхностно-активные вещества, от Eco Nuts
Magic Milk (pdf), от Сары Матер и Лизы Херлбут, Университет Ниписсинга.
Развлечения, Научные занятия для вас и вашей семьи, от друзей науки
Постройте плот, работающий на основе поверхностного натяжения, от друзей науки

Это задание предоставлено вам в сотрудничестве с Science Buddies

Капли жидкости притягиваются или отталкиваются обратным эффектом Cheerios — исследовательский портал Технологического университета Эйндховена

@article {b0c057db1183450d91243dc536f59d12,

title = «Капли жидкости притягиваются или отталкиваются обратным эффектом Cheerios»,

abstract = «Плавающие твердые частицы на границе раздела жидкостей проявляют дальнодействующее притяжение, опосредованное поверхностным натяжением.При отсутствии объемной эластичности это доминирующее латеральное взаимодействие механического происхождения. Здесь мы показываем, что аналогичное дальнодействующее взаимодействие происходит между соседними каплями на твердой подложке, которое в решающей степени зависит от сочетания капиллярности и объемной упругости. Мы экспериментально наблюдаем взаимодействие между каплями на мягких гелях и обеспечиваем теоретическую основу, которая количественно предсказывает силу взаимодействия между каплями. Примечательно, что мы обнаружили, что, хотя на толстых подложках взаимодействие является чисто привлекательным и приводит к слиянию капель и капель, для относительно тонких подложек происходит короткодействующее отталкивание, которое предотвращает прямой контакт двух капель.Это универсальное взаимодействие является аналогом эффекта {«} Cheerios» жидкость-твердое тело. {«} Эффект сильно влияет на конденсацию и укрупнение капель на мягких полимерных пленках и имеет потенциальные последствия для коллоидной сборки и механобиологии.»,

keywords = «Капли, эластокапиллярность, механочувствительность, мягкое вещество, смачивание»,

author = «S. Карпичка, А. Панди, Л.А. Любберс, Дж. Х. Weijs, L. Botto, S. Das, B. Andreotti и J.H. Snoeijer «,

год =» 2016 «,

месяц = ​​июл,

день =» 5 «,

doi =» 10.1073 / pnas.1601411113 «,

language =» English «,

volume =» 113 «,

pages =» 7403-7407 «,

journal =» Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) «,

issn =» 0027-8424 «,

publisher =» National Academy of Sciences «,

number =» 27 «,

}

Hydrophobic Attraction — обзор

2.3. 4 Силы сольватации

Теория DLVO успешно объясняет силы дальнодействующего взаимодействия, наблюдаемые в большом количестве систем (коллоиды, растворы поверхностно-активных веществ, липидные бислои и т. Д.)) в терминах двойного электрического слоя и сил Лондона – Ван-дер-Ваальса. Однако, когда две поверхности или частицы приближаются ближе, чем на несколько нанометров, взаимодействия между двумя твердыми поверхностями в жидкой среде не могут быть учтены теорией ДЛВО. Это связано с тем, что теории Ван-дер-Ваальса и сил двойного слоя, обсуждаемые в предыдущих разделах, являются теориями континуума, описанными на основе объемных свойств промежуточного растворителя, таких как его показатель преломления, диэлектрическая постоянная и плотность, тогда как индивидуальная природа участвующих молекул, такие как их дискретный размер, форма и химический состав, не принимались во внимание теорией DLVO.Другое объяснение этого состоит в том, что в игру вступают другие силы, не относящиеся к DLVO, хотя физическое происхождение таких сил все еще остается неясным [85, 86]. Эти дополнительные силы могут быть монотонно отталкивающими, монотонно притягивающими или даже колебательными в некоторых случаях. И эти силы могут быть намного сильнее, чем любая из двух сил DLVO при малых расстояниях [2, 87].

Чтобы понять, как возникают дополнительные силы между двумя поверхностями, расположенными на расстоянии нескольких нанометров друг от друга, нам нужно начать с простейшего, но наиболее общего случая инертных сферических молекул между двумя гладкими поверхностями, сначала рассмотрев способ, которым молекулы растворителя упорядочиваются в твердое тело-жидкость. границы раздела, затем рассматривая, как эта структура соответствует наличию соседней поверхности и как это, в свою очередь, вызывает короткодействующее взаимодействие между двумя поверхностями в жидкости.Обычно структура жидкости вблизи границы раздела отличается от структуры в объеме. Для многих жидкостей профиль плотности, нормальный к твердой поверхности, колеблется вокруг объемной плотности с периодичностью диаметра молекулы в узкой области вблизи границы раздела. Эта область обычно простирается на несколько молекулярных диаметров. В этом диапазоне молекулы упорядочены слоями согласно некоторым теоретическим работам и, в частности, компьютерному моделированию [88, 89], а также экспериментальным наблюдениям [90, 91].Когда две такие поверхности приближаются друг к другу, один слой молекул за другим выдавливается из замыкающего зазора. Геометрический ограничивающий эффект приближающейся стенки на эти молекулы и притягивающие взаимодействия между поверхностью и молекулами жидкости, следовательно, создают силу сольватации между двумя поверхностями. Для простых сферических молекул между двумя твердыми гладкими поверхностями сила сольватации обычно является убывающей колебательной функцией расстояния. Для молекул с асимметричной формой или потенциалов взаимодействия которых анизотропны или не аддитивны попарно, результирующая сольватационная сила может также иметь монотонно отталкивающий или притягивающий компонент.Когда растворителем является вода, они называются силами гидратации. Силы сольватации зависят как от химических, так и физических свойств рассматриваемых поверхностей, таких как смачиваемость, кристаллическая структура, морфология и жесткость поверхности, а также от свойств промежуточной среды.

Сила гидратации — одна из наиболее широко изученных и спорных сил, не относящихся к DLVO, сильная короткодействующая сила, которая экспоненциально затухает с расстоянием D между поверхностями [92, 93]:

(2.56) FSOL (D) = Ke-D / l

, где K> 0 относится к силам гидрофильного отталкивания, K <0 относится к силам гидрофобного притяжения, а l - длина корреляции ориентационного упорядочения молекул воды.

Концепция силы гидратации возникла для объяснения измерений сил между нейтральными липидными двухслойными мембранами [93]. Его присутствие в заряженных системах является спорным, но есть экспериментальные доказательства того, что силы, не связанные с DLVO, следуют уравнению (2.56) в таких разнообразных системах, как бислои сурфактанта дигексадецилдиметиламмония [94], растворы полиэлектролитов ДНК [95] и заряженные полисахариды [96].В этих экспериментах силы гидратации мало чувствительны к ионной силе.

Многие теоретические исследования и компьютерное моделирование различных замкнутых жидкостей, включая воду, неизменно приводили к сольватационной силе, описываемой экспоненциально убывающей кос-функцией вида [97–100]:

(2.57) FSOL (D) = f0cos (2πDσm) eD / D0

где F SOL — сила на единицу площади; f 0 — сила, экстраполированная на расстояние разделения, D = 0; σ м — диаметр молекулы, а D 0 — характерная длина распада.

О силе отталкивания, преобладающей на коротких расстояниях между поверхностями кремнезема в водных растворах NaCl, сообщили Граббе и Хорн [101], которые также оказались независимыми от концентрации электролита во всем исследованном диапазоне. Они приписали эту силу отталкиванию гидратации, возникающему в результате водородной связи воды с поверхностью диоксида кремния, и приспособили дополнительный компонент к сумме двух экспонент, чтобы разработать формулу для сил гидратации в системе.

Физические механизмы, лежащие в основе силы гидратации, все еще остаются предметом обсуждения.Одним из возможных механизмов является аномальная поляризация воды вблизи границ раздела, которая полностью изменяет ее диэлектрический отклик [102–104]. Эти теории предполагают электростатическое происхождение силы гидратации. Однако другие авторы сообщают [105], что нет никаких доказательств значительного структурирования водных слоев вблизи границ раздела или возмущения ее диэлектрического отклика, как предполагалось в предыдущих теориях. Вместо этого они предполагают, что силы отталкивания обусловлены энтропийным (осмотическим) отталкиванием термически возбужденных молекулярных групп, которые выступают с поверхностей [106].Эта теория объясняет многие экспериментальные наблюдения в нейтральных системах [107], но ее применимость в заряженных системах не определена. Учитывая доступные данные экспериментов и моделирования, невозможно прийти к окончательному выводу о точной роли этих механизмов в определении сил гидратации. До недавнего времени компьютерное моделирование водных пленок, покрытых ионными поверхностно-активными веществами, показало, что выступы в этих системах незначительны [108]. С другой стороны, компьютерное моделирование показывает, что вода имеет аномальное диэлектрическое поведение вблизи заряженных границ раздела [109], но наблюдаемые электростатические поля, очевидно, отличаются от предсказаний электростатических теорий о силах гидратации [103, 110].Влияние этого аномального диэлектрического поведения воды на электростатическую силу между поверхностями или границами раздела пока неизвестно.

Использование АСМ для измерения сил сольватации между поверхностями вызывало определенный интерес среди исследователей в последние годы с целью как изучения явлений между близко взаимодействующими зондами и поверхностями, которые могут вызывать артефакты при получении изображений с помощью АСМ, так и исследования эффекта эти сольватационные силы влияют на взаимодействия между коллоидными частицами.О’Ши и его коллеги [111] наблюдали колебательную силу при близком приближении острого зонда АСМ к поверхности графита в воде, октаметилциклотетрасилоксане (OMCTS) и додеканоле. По мере приближения к OMCTS и додеканолу наблюдалась серия барьеров отталкивания, причем каждый барьер отталкивания постепенно увеличивался из-за того, что более плотно связанные сольватационные слои становились все труднее смещаться. Авторы подсчитали, что энергия, необходимая для удаления сольватационных молекул, была в 5-25 раз больше kT для OMCTS и в 5-1000 раз больше kT для додеканола, предполагая, что только небольшое количество молекул перемещалось.Кроме того, было отмечено, что расстояние между последовательными осциллирующими пиками хорошо согласуется с размерами интересующих молекул, предполагая, что каждая сольватационная оболочка состоит из одного слоя молекул. Более поздняя серия измерений OMCTS и додеканола на HOPG пришла к аналогичному выводу [112, 113]. Смещения сольватационных слоев в воде не наблюдалось из-за относительно большого диапазона и величины наблюдаемого события скачка притяжения. В более поздней серии экспериментов [114] осциллирующий рычаг использовался для исследования сил сольватации в OMCTS и додеканоле, что позволило измерить механическую податливость сольватных оболочек.При этом наблюдались периодические изменения амплитуды колебаний рычага, что объяснялось увеличением эффективной вязкости растворов при сближении поверхностей. Было отмечено, что наличие осциллирующих структурных сил даже при наличии сильно искривленной геометрии, даже при использовании острого зонда АСМ, может иметь пагубное влияние на получение изображений поверхностей с очень высоким разрешением при использовании АСМ.

Сольватационные силы были измерены в первичных спиртах между зондами из нитрида кремния и поверхностями слюды и ВОПГ Францем и Баттом [115].При измерениях, проведенных против гидрофильной слюды, не наблюдались силы сольватационных колебаний при разделительных расстояниях менее 4 нм. На меньших расстояниях наблюдались максимумы отталкивания, за которыми следовали внезапные скачки. Эти повторяющиеся максимумы были приписаны присутствию сольватных оболочек, по крайней мере, с двумя из этих слоев. Было определено, что эти силы сольватации превышают по величине существующие силы Ван-дер-Ваальса притяжения. Было отмечено, что период колебаний силы линейно увеличивается с длиной цепи, причем период больше, чем длина цепи.Был сделан вывод, что для измерений, проведенных на слюде, молекулы не принимали плоскую форму, а были, по крайней мере, частично вертикальными. На гидрофобной поверхности ВОПГ измерения в колебаниях 1-пропанола и 1-пентанола имели период 0,45 нм, что позволяет предположить, что на гидрофобной поверхности они действительно лежали на поверхности.

Валле-Дельгадо и его коллеги [116] исследовали силы сольватации в воде между гидрофильными сферами кремнезема по сравнению с плоскими поверхностями кремнезема. Сила отталкивания была измерена (<2 нм) на более коротких расстояниях, чем наблюдаемые силы отталкивания двойного слоя и силы Ван-дер-Ваальса притяжения.К экспериментальным данным был применен ряд теоретических моделей, и был сделан вывод, что для исследуемой ситуации наблюдения лучше всего объяснялись образованием и разрывом водородных связей между группами SiOH на поверхности кремнезема и одним слоем молекул воды.

Джарвис и др. [117] использовали углеродную нанотрубку для исследования сил сольватации в воде в отношении самоорганизованного монослоя, связанного с поверхностью золота, который был охарактеризован путем визуализации с помощью зонда с нанотрубками.Когда силы были нормализованы, они оказались в разумном согласии с предыдущими измерениями, выполненными с помощью прибора для измерения поверхностных сил [118]. Авторы пришли к выводу, что силы масштабируются вместе с размерами взаимодействия поверхности между мезомасштабом и наномасштабом [117].

Грязь не прилипает к омнифобному материалу

Колин Баррас

Видео: Омнифобный материал отталкивает воду и масло

Вода может легко стекать со спины утки, а масло — нет.

Теперь американские химики создали материал, достаточно антиобщественный, чтобы отталкивать жидкости обоих типов. Они пошли лучше, чем природа, которая, как известно, не создавала материалы с такими свойствами.

Команде Роберта Коэна из Массачусетского технологического института даже пришлось придумать новое слово для описания своего творения — «омнифобный» — буквально означающее, что оно ненавидит все.

Поверхность поганки

Материал вытесняет водянистые и маслянистые жидкости в плотные капли благодаря своей структуре поверхности, состоящей из «поганок» высотой 300 нанометров с широкими крышками из диоксида кремния и узкими кремниевыми ножками.

Реклама

Все жидкости обладают поверхностным натяжением, которое пытается втянуть каплю в идеальную сферу, как те, что наблюдаются в условиях невесомости космоса. Но сила этого напряжения варьируется в зависимости от жидкости.

Очень высокое поверхностное натяжение воды, 72 миллиНьютона на метр (мН / м) при комнатной температуре, означает, что она легко образует почти сферические капли при размещении на поверхности.Из-за своей почти сферической формы капли встречаются с поверхностью под большим углом — более 150 °, если вода находится на супергидрофобной поверхности.

Масла, такие как пентан, имеют низкое поверхностное натяжение — 15 мН / м — поэтому они провисают под действием силы тяжести и имеют тенденцию образовывать плоскую лужу, а не сферическую каплю, встречающуюся с поверхностью под небольшим углом.

Все углы

Форма омнифобных поганок позволяет даже при слабом поверхностном натяжении удерживать каплю вместе, позволяя таким жидкостям, как пентан, образовывать сферу, не разрушаясь, сказал Коэн New Scientist .

«Если вы встанете на одну из этих [поганок] и начнете идти к краю, вы пройдете через все углы и в конечном итоге окажетесь вверх ногами», — говорит он.

Это означает, что даже маслянистые жидкости могут найти свой идеальный угол с поверхностью и образовать мениск между соседними поганками, которые могут удерживать сферическую каплю. Мениск опирается на слой воздуха под шапками поганок.

Хотя поганки сами по себе являются слегка омнифобными, для того, чтобы с легкостью разбивать капли воды или масла вокруг них, как шарики, требовалось нанесение покрытия на поверхность для усиления эффекта.

Используемое химическое вещество — фтордецил ПОСС — обычно используется для повышения гидрофобности поверхностей. После покрытия новый материал MIT отталкивает даже маслянистые жидкости с низким поверхностным натяжением, такие как пентан.

«Пентан, вероятно, является жидкостью с наименьшей энергией, которую вы можете иметь при атмосферном давлении, и мы смогли получить его капли, просто катящиеся по нашей поверхности», — говорит Коэн.

Он настолько прочен, что даже в каплях гексадекана — с поверхностным натяжением 27.5 мН / м — падают на поверхность, они просто отскакивают и сохраняют сферическую форму (см. Видео выше).

Филипп Брюне из Механической лаборатории Лилля, Франция, впечатлен материалом.

«Насколько мне известно, до этой работы не наблюдалось таких универсальных отталкивающих свойств», — говорит он. «Что довольно убедительно, так это то, что надежность была подтверждена экспериментами по ударам при падении».

Но Дэвид Кере из Высшей школы промышленной физики и химии города Парижа задается вопросом, насколько легко будет найти практическое применение этому материалу.

Многие бетонные и стеклянные компании интересовались подобными поверхностями для улучшения своих материалов, — говорит он. «Но когда вы кладете эту текстуру на поверхность твердого тела, она очень легко разрушается — [поганки] довольно хрупкие».

Если бы их можно было сделать более прочными, из них можно было бы легко чистить поверхности, которые трудно испачкать водянистой или маслянистой грязью.

Справочник журнала & двоеточие; Труды Национальной академии наук (DOI & col; 10.1073 / пнас.0804872105)

Дополнительная информация по этим темам:

Суперводоотталкивающие поверхности могут генерировать энергию

Ученые знали, что они могут генерировать электричество, пропуская соленую воду по электрически заряженной поверхности. Но они никогда не могли заставить процесс производить достаточно энергии, чтобы быть полезными. Теперь инженеры придумали, как это сделать. Их трюк: заставьте воду течь по этой поверхности намного быстрее. Они достигли этого, сделав поверхность супер водоотталкивающей.

Праб Бандару — инженер-механик и ученый-материаловед Калифорнийского университета в Сан-Диего. Инновации его команды выросли из разочарования. Ни одно другое, что они пробовали, не помогло. Один «случайный момент… просто сработал», — говорит он со смехом. Вряд ли это планировалось.

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Ученые описывают поверхность, отталкивающую воду, как гидрофобную (HY-droh-FOH-bik).Этот термин происходит от греческих слов, обозначающих воду (гидро) и ненависть (фобия). Команда UCSD описывает материал, который он использует, как супергидрофобный.

Их новая энергетическая система начинается с поваренной соли или хлорида натрия. Как следует из названия, эта соль состоит из связанных атомов натрия и хлора. Когда атомы реагируют с образованием соли, электрон от атома натрия отрывается и присоединяется к атому хлора. Это превращает каждый нейтральный атом в заряженный атом, называемый ионом. Атом натрия теперь имеет положительный электрический заряд.Противоположные обвинения привлекают. Итак, ион натрия теперь сильно притягивается к атому хлора, который теперь имеет отрицательный заряд.

Когда соль растворяется в воде, молекулы воды ослабляют связь между ионами натрия и хлора. Когда эта соленая вода течет по поверхности с отрицательным зарядом, положительно заряженные ионы натрия притягиваются к ней и замедляются. Между тем, его отрицательно заряженные ионы хлора будут продолжать течь. Это разрывает связь между двумя атомами.И это высвобождает энергию, которая была сохранена в нем.

Задача заключалась в том, чтобы вода двигалась достаточно быстро. «Когда хлор быстро уходит, тогда относительная скорость между медленным натрием и быстрым хлором увеличивается», — объясняет Бандару. И это увеличит выработку электроэнергии.

Команда описала свое нововведение 3 октября в Nature Communications.

Использование суперводоотталкивающей поверхности для выработки энергии «действительно, действительно захватывающе», — говорит Даниэль Тартаковский.Он инженер Стэнфордского университета, который не принимал участия в исследованиях.

Инновация

Другие исследователи пытались использовать водоотталкивающие свойства для увеличения выработки энергии электрогенератором с соленой водой. Они сделали это, добавив крошечные бороздки на поверхности. Когда вода протекала по канавкам, она испытывала меньшее трение при движении по воздуху. Тем не менее, даже несмотря на то, что вода текла быстрее, производство энергии не сильно увеличилось. По словам Бандару, это происходит потому, что воздух также снижает воздействие воды на отрицательно заряженную поверхность.

Его команда пыталась разными способами обойти эту проблему. Они пытались сделать поверхность более пористой. Их идея заключалась в том, чтобы ускорить течение воды за счет увеличения количества воздуха на поверхности. «Мы были в лаборатории и думали:« Почему это не работает? »- вспоминает он. «Тогда мы сказали:« Почему бы нам не налить жидкость внутрь [поверхности]? »»

Это была просто идея мозгового штурма. Исследователи не провели никаких расчетов, чтобы выяснить, может ли это сработать. Они просто пытались заменить воздух в канавках поверхности маслом.И это сработало! «Мы были очень удивлены», — говорит Бандару. «Мы получили очень, очень высокий результат для [электрического] напряжения». По словам Бандару, чтобы выяснить, не сделали ли они какую-то ошибку, они быстро поняли: «Мы должны попробовать еще раз!»

Сделали еще несколько раз. И каждый раз результаты были одинаковыми. «Это было воспроизводимо», — говорит Бандару. Это убедило их в том, что их первоначальный успех не был случайным.

Позже они исследовали физику поверхности, заполненной жидкостью.Бандару вспоминает: «Это был один из тех моментов, когда мы поняли:« Конечно, это должно сработать »».

Почему это работает

Масло, как воздух, отталкивает воду. Некоторые масла гораздо более гидрофобны, чем воздух, и могут нести отрицательный заряд. Команда Бандару проверила пять масел, чтобы найти лучшее сочетание водоотталкивающих свойств и отрицательного заряда. Еще одно преимущество использования масла: оно не смывается, когда вода течет по нему, потому что физическая сила, известная как поверхностное натяжение, удерживает его в канавках.

Новые тесты, о которых сообщила команда, доказывают, что концепция работает. В других экспериментах необходимо будет проверить, насколько хорошо он может работать в более крупном масштабе — таком, который может обеспечить полезное количество электроэнергии.

Но этот метод может найти применение даже в небольших приложениях. Например, его можно использовать в качестве источника питания для анализов «лаборатория на чипе». Здесь крошечные устройства проводят тесты с очень небольшим количеством жидкости, например, с каплей воды или крови. В более крупном масштабе его можно использовать для выработки электроэнергии из океанских волн или даже для использования отходов, проходящих через водоочистные сооружения.«Это не обязательно должна быть соленая вода», — объясняет Бандару. «Может быть, есть сточные воды, содержащие ионы. Пока в жидкости есть ионы, можно использовать эту схему для генерации напряжения ».