Вода это диэлектрик. Жидкие диэлектрики: свойства, применение и особенности пробоя — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое жидкие диэлектрики. Какие вещества относятся к жидким диэлектрикам. Где применяются жидкие диэлектрики. Каковы особенности электропроводности жидких диэлектриков. В чем заключается механизм пробоя жидких диэлектриков. Какие факторы влияют на электрическую прочность жидких диэлектриков.

Содержание

Что такое жидкие диэлектрики и их основные свойства

Жидкие диэлектрики — это молекулярные жидкости, обладающие высоким удельным электрическим сопротивлением (более 10^10 Ом·см) и низкой электропроводностью. К основным свойствам жидких диэлектриков относятся:

Высокое удельное сопротивление
Низкая электропроводность
Способность к поляризации в электрическом поле
Высокая диэлектрическая проницаемость (до 10^2 на частоте 10^4 Гц)
Высокая электрическая прочность

Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь электронов в молекулах, а между молекулами действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы. Это обуславливает их текучесть и способность заполнять любую форму.

Основные виды жидких диэлектриков

К жидким диэлектрикам относятся следующие вещества:

Минеральные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное)
Синтетические жидкости (полихлордифенил, кремнийорганические жидкости)
Растительные масла (касторовое, льняное)
Углеводороды (парафины, вазелиновое масло)
Фторорганические и хлорированные углеводороды
Кремнийорганические соединения (силиконовые масла)
Сжиженные газы
Дистиллированная вода

Наиболее распространенными в технике являются минеральные и синтетические электроизоляционные масла.

Области применения жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики широко применяются в электротехнике и электронике благодаря своим уникальным свойствам. Основные области их использования:

Электроизоляция и охлаждение в трансформаторах, конденсаторах, кабелях
Заполнение высоковольтных вводов, выключателей, разрядников
Пропитка бумажно-масляной изоляции
Теплоотвод в силовых электронных устройствах
Гашение электрической дуги в выключателях
Изоляция в импульсных конденсаторах и генераторах

Применение жидких диэлектриков позволяет повысить электрическую прочность изоляции, улучшить отвод тепла и продлить срок службы электрооборудования.

Механизмы электропроводности жидких диэлектриков

В жидких диэлектриках наблюдаются два основных механизма электропроводности:

1. Ионная проводимость

Обусловлена движением ионов, образующихся в результате:

Диссоциации молекул самой жидкости
Диссоциации молекул примесей и загрязнений
Инжекции ионов с электродов

2. Молионная проводимость

Связана с переносом заряда крупными коллоидными частицами (молионами). Возникает из-за наличия в жидкости мельчайших примесей в виде:

Капель эмульгированной воды
Твердых частиц
Волокон

Ионная проводимость преобладает в чистых жидкостях, а молионная — в загрязненных. Электропроводность жидких диэлектриков сильно зависит от наличия примесей, особенно воды и ионогенных веществ.

Особенности пробоя жидких диэлектриков

Пробой жидких диэлектриков имеет ряд особенностей по сравнению с пробоем газов и твердых диэлектриков:

Большой разброс значений пробивного напряжения
Сильная зависимость от степени очистки жидкости
Влияние полярности электродов
Зависимость от длительности воздействия напряжения
Восстановление электрической прочности после пробоя

В жидкостях могут реализовываться различные механизмы пробоя:

1. Электронный пробой

Происходит за счет ударной ионизации молекул электронами. Характерен для хорошо очищенных неполярных жидкостей.

2. Тепловой пробой

Обусловлен локальным разогревом жидкости током проводимости и образованием газовых пузырьков. Типичен для полярных жидкостей.

3. Электрогидродинамический пробой

Связан с образованием и движением заряженных частиц в сильно неоднородных полях. Наблюдается в загрязненных жидкостях.

Факторы, влияющие на электрическую прочность жидких диэлектриков

На величину пробивного напряжения жидких диэлектриков оказывают влияние следующие факторы:

Наличие примесей и загрязнений (особенно влаги)
Температура жидкости
Давление
Длительность воздействия напряжения
Форма электродов и расстояние между ними
Полярность и форма приложенного напряжения
Интенсивность перемешивания жидкости

Наиболее сильное влияние оказывают примеси, особенно влага и твердые частицы. Их наличие может снизить пробивное напряжение в несколько раз. Поэтому для обеспечения высокой электрической прочности необходима тщательная очистка и осушка жидких диэлектриков.

Методы повышения электрической прочности жидких диэлектриков

Для увеличения пробивного напряжения жидких диэлектриков применяются следующие методы:

Глубокая очистка от механических примесей фильтрацией
Удаление растворенной влаги вакуумной сушкой
Дегазация жидкости для удаления растворенных газов
Введение специальных присадок-стабилизаторов
Охлаждение и повышение давления жидкости
Применение барьерной изоляции
Использование комбинированной жидкой и твердой изоляции

Комплексное применение этих методов позволяет значительно повысить электрическую прочность жидких диэлектриков и надежность высоковольтной изоляции.

Заключение

Жидкие диэлектрики играют важную роль в современной электротехнике и электронике. Благодаря уникальному сочетанию высокой электрической прочности, хороших теплоотводящих свойств и способности заполнять любые полости, они широко применяются в качестве изоляционных и охлаждающих сред. Понимание особенностей электропроводности и механизмов пробоя жидких диэлектриков позволяет обеспечить надежную работу высоковольтного оборудования. Дальнейшее совершенствование методов очистки и стабилизации свойств жидких диэлектриков остается актуальной задачей для повышения надежности электроизоляционных систем.

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Добавлено 20 сентября 2020 в 04:12

Сохранить или поделиться

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют

свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

Проводники	Диэлектрики
серебро медь золото алюминий железо сталь латунь бронза ртуть графит недистилированная вода бетон	стекло резина масло асфальт оптоволокно фарфор керамика кварц (сухой) хлопок (сухая) бумага (сухое) дерево пластмасса воздух алмаз дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (~186 000 миль) в секунду!!! Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Резюме

В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
Все металлы проводят электрический ток.
Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Оригинал статьи:

Жидкие диэлектрики

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт

дистанционного образования

Электроэнергетика и электротехника

Теории пробоя жидких диэлектриков

Исполнитель:
студент группы	З-5А24 В№7	Половников К Ю

Томск  2014

Содержание

Введение 1. Жидкие диэлектрики

1.1 Применение жидких диэлектриков

1.2 Электропроводность жидких диэлектриков

1.3 Пробой жидких диэлектриков

1.4 Особенности пробоя жидких диэлектриков

2. Общие требования и свойства трансформаторных масел

2.1 Назначение трансформаторного масла

Список литературы

Введение

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток, называемый током утечки, невелик. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную электрическую проводимость не больше 10

-7 – 10^-8 См/м, проводникам – имеющие проводимость больше 10⁷ См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

Жидкие диэлектрики молекулярные жидкости, удельное электрическое сопротивление которых превышает 10¹⁰ Ом см. Как и твердые диэлектрики, жидкие диэлектрики поляризуются в электрических полях: для них характерна электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая проницаемость (статическая) жидких диэлектриков может достигать значений 10

2 (для частоты 10⁴Гц). В сильных электрических полях происходит электрический пробой жидких диэлектриков, механизм которого (тепловой или электронный) зависит от природы жидкости, ее чистоты, температуры, и др. Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные и фторированные углеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов и др.

Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь электронов в молекулах, а между молекулами действуют ван-дер-ваальсовые силы.

Применение жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики применяются в электроизоляционной технике в качестве пропитывающих и заливочных составов при производстве электро и радиотехнической аппаратуры: в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. По применению они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность жидких диэлектриков имеет более высокие значения по сравнению с воздухом и другими газами при атмосферном давлении. Поэтому электроизоляционные жидкие диэлектрики должны обеспечивать повышение электрической прочности твердой пористой изоляции, отвод тепла от обмоток трансформатора, гашение электрической дуги в масляных выключателях. В импульсном электрическом поле их электрическая прочность возрастает.

Электропроводность жидких диэлектриков

В жидких диэлектриках бывают два основных механизма электропроводности: ионный и молионный. Ионная электропроводность определяется диссоциацией молекул жидкости, а также содержанием различных примесей или загрязнений, которые часто встречаются на практике, так как жидкости легко загрязняются. В технически чистых жидких диэлектриках всегда содержатся те или иные примеси, обычно легче диссоциирующие, чем основной диэлектрик, поэтому проводимость в них сильно зависит от чистоты жидкости: на собственную проводимость диэлектрика накладывается примесная проводимость. В зависимости от природы жидкого диэлектрика в нём могут быть разные диссоциирующие примеси. Например, нефтяному электроизоляционному маслу сопутствуют некоторые органические кислоты; само масло является химически нейтральным углеводородом. Эти кислоты благодаря лёгкой диссоциации заметно повышают удельную проводимость масла. Загрязнением в жидком диэлектрике, в частности в том же масле, является и вода, попадающая в него непосредственно из атмосферного воздуха благодаря известной гигроскопичности масла.

Вода в жидком диэлектрике может быть в трёх состояниях: а) молекулярно — растворённое; б) в виде эмульсии, то есть в виде мельчайших капель, находящихся в жидком диэлектрике во взвешенном состоянии; в) в виде избыточной воды, не удерживающейся в эмульсии, выпадающей из неё. Избыточная вода или тонет в диэлектрике, если его плотность меньше 1000 кг/м³ (например, нефтяное масло), или всплывает на его поверхности, если плотность диэлектрика больше 1000 кг/м³ (например, хлорированный дифенил – совол). Вода в жидком диэлектрике может переходить из одного состояния в другое при изменении температуры за счёт изменения растворяющей способности диэлектрика. При повышении температуры растворяющая способность увеличивается и эмульсионная вода полностью или частично переходит в молекулярно растворённое состояние, а избыточная вода – в эмульсионное в зависимости от значения температуры. При понижении температуры происходит обратный процесс. При длительном воздействии высокой температуры сказывается эффект сушки (испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность жидкости зависит от её состава и от наличия полярных молекул. Полярные молекулы, как правило, отличаются большой активностью, поэтому полярные жидкости легче смешиваются с различными примесями и загрязнениями. Жидким загрязнением может быть не только вода, но и какая – либо другая посторонняя жидкость. Остановимся на растворимости в масле различных газов. Жидкие диэлектрики в обычных условиях всегда содержат растворённый газ; в частности, большой способностью к растворению газов отличается нефтяное масло. Разные газы по – разному растворяются в жидкости. Эта их способность обычно определяется в процентах по объёму (коэффициент растворимости). Для примера ниже приведены значения коэффициента растворимости в масле для некоторых газов: воздух 9.4; азот 8.6; кислород 16; углекислый газ 120; водород 7. Благодаря этому состав воздуха, растворённого в масле, отличается от состава атмосферного воздуха. Обычно атмосферный воздух содержи 78% азота и 21% кислорода (по объёму), а в масле соотношение их будет таким: 69.8% азота и 30.2% кислорода. Изменение температуры по – разному влияет на растворимость газов в масле. Например, при повышении температуры от 20 до 80⁰С растворимость водорода и азота увеличивается, кислорода несколько понижается, а углекислого газа резко падает. Рассмотрим ионную электропроводность жидких диэлектриков как основной её вид. Собственная ионная проводимость зависит от способности молекул к диссоциации.

Легче диссоциируют молекулы, обладающие чисто ионными связями, так называемые гетерополярные. Диссоциация молекул жидкости происходит и без воздействия электрического поля; установлено, что отношение количества диссоциированных молекул в данном объёме жидкостей к их общему количеству, называемое степенью диссоциации, зависит от относительной диэлектрической проницаемости жидкости. В соответствии с этим правилом полярные жидкости, имеющие большую диэлектрическую проницаемость, имеют повышенную степень диссоциации и повышенную собственную проводимость. У жидкостей неполярных, например нефтяного электроизоляционного масла, собственная проводимость очень мала из – за слабой способности молекул углеводородов к диссоциации. У таких жидкостей электропроводность в основном носит примесный характер, а проводимость зависит как от свойств примеси, так и от её содержания в диэлектрике. Полярные жидкости особенно чувствительны к примесям. Это объясняется тем, что степень диссоциации молекул примесей в жидкости с большой относительной диэлектрической проницаемостью выше, чем в жидкости с малой диэлектрической проницаемостью. В связи с такой особенностью полярных жидкостью у них часто бывает затруднительно отделить собственную проводимость от примесной. Рассмотрим закономерности молионной электропроводности. При помощи современных оптических микроскопов с большой разрешающей способностью в жидкости можно обнаружить коллоидные частицы разного происхождения и проследить за характером их движения в электрическом поле. Коллоидные частицы переносятся электрическим полем к электроду определённого знака (при определённом напряжении). Для коллоидных частиц примесной жидкости знак заряда частицы зависит от соотношения относительных диэлектрических проницаемостей основной жидкости и примесей. Если относительная диэлектрическая проницаемость примеси меньше, чем основной жидкости, то частицы примеси заряжаются отрицательно, в противном случае – положительно. В случае неоднородного электрического поля коллоидные частицы стремятся в зону максимальной напряжённости электрического поля, к электроду соответствующего знака, вследствие этого концентрация загрязнений здесь сильно повышается за счёт известного снижения её в других зонах. Вообще при молионной электропроводности со временем частицы загрязнений сосредоточиваются у электродов, и таким образом происходит очистка жидкостей от загрязнений. При переменном напряжении вследствие непрерывного изменения направления движения коллоидных частиц эффект очистки от них не наблюдается. Вследствие эффекта очистки с течением времени после включения постоянного напряжения удельное сопротивление жидкости увеличивается.

Жидкие диэлектрики — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные и фторированные углеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов и др.

Жидкие диэлектрики применяются в электроизоляционной технике в качестве пропитывающих и заливочных составов при производстве электро- и радиотехнической аппаратуры: в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. По применению они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность жидких диэлектриков имеет более высокие значения по сравнению с воздухом и другими газами при атмосферном давлении. Поэтому электроизоляционные жидкие диэлектрики должны обеспечивать повышение электрической прочности твердой пористой изоляции, отвод тепла от обмоток трансформатора, гашение электрической дуги в масляных выключателях. В импульсном электрическом поле их электрическая прочность возрастает.

Основными характеристиками диэлектрических жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. Собственная проводимость жидких диэлектриков имеет электронную и ионную составляющие. Она обусловлена автоэлектронной эмиссией с катода, электролитической диссоциацией молекул, ионизацией молекул. Электрические свойства жидких диэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Загрязнения, как правило, снижают электрическую прочность жидких диэлектриков и увеличивают проводимость за счет возрастания количества ионов и заряженных коллоидных частиц.

Проводимость жидкостей определяется ионизацией молекул и наличием в жидкости примесей. Основными примесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Очистка диэлектрических жидкостей (дистилляцией, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом) приводит к уменьшению электропроводности и диэлектрических потерь и возрастанию электрической прочности. Электрическая прочность в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков.

Наиболее распространенными жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционных материалов, являются:

нефтяные масла — трансформаторное, конденсаторное и кабельное;

синтетические жидкие диэлектрики — полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические;

растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Нефтяные масла — слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического и нафтено-ароматического рядов с небольшим (до 1% масс) содержанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислительному старению, а также температурно-вязкостные характеристики. Нефтяное трансформаторное масло получило наиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных водах. Нефтяное трансформаторное масло является неполярным диэлектриком. Поэтому в чистом масле диэлектрические потери обусловлены в основном токами проводимости, величина которых мала, следовательно, малы и диэлектрические потери. При 20^оС и 100 Гц = 2, 2-2, 3, = 10¹⁰-10¹³Ом^.м, Е_пр= 10-28 кВ/мм. В механизме пробоя основное влияние на образование газоразрядного канала проводимости имеет нерастворенная в масле полярная полупроводящая и проводящая примесь. Вода, растворенная в масле, увеличивает электропроводность и электрические потери, но мало влияет на электрическую прочность. Вода, выделенная в виде мелкодисперсных капель, вызывает резкое увеличение неоднородности поля, что приводит к снижению пробивного напряжения.

Нефтяное конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очистки адсорбентами. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла. При 20^оС и 1 Гц = 2, 1-2, 3, = 10¹¹-10¹²Ом^.м, Е_пр= 14-18 кВ/мм. Используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, следовательно, возрастают емкость конденсатора и его рабочее напряжение.

Нефтяное кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на напряжение до 110кВ и выше.

Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями tg (до 2.10^-4). Недостатки нефтяных масел — пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов (совол, совтол), что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Они не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка: Кремний-кислородная связь имеет высокую термическую и химическую стойкость, поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (до 250 ^оС). По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. При 20 ^оС и 100 Гц = 2, 4-2, 8, = 10¹¹-10¹²Ом^.м, Епр= 14-18 кВ/мм. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, работающих при повышенной температуре, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях. Их недостаток — сравнительно быстрая воспламеняемость, кроме того, они значительно дороже нефтяных масел.

Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Молекулы фторорганических жидкостей состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. Фторорганические жидкости — неполярные диэлектрики. При 20 ^оС и 100 Гц = 2, 2-2, 5, ρ = 10¹²-10¹⁴Ом^.м, Е_пр= 12-19 кВ/мм. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Применяются для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. Недостатки — токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, высокая стоимость.

К растительным маслам относятся касторовое, тунговое, льняное, конопляное. Растительные масла — слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость и используется как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов. Тунговое, льняное и конопляное масла относятся к «высыхающим» маслам. Высыхание обусловлено не испарением жидкости, а химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация. Используются в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках.

Касторовое масло получается из семян клещевины; иногда используется для пропитки бумажных конденсаторов. Плотность касторового масла 0, 95-0, 97 Мг/м3, температура застывания от минус 10 до минус 180 °С; диэлектрическая постоянная Ɛ равна 4, 0 — 4, 5 при температуре 200 °С; Е_пр=15-20 Мв/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте.

Льняное масло золотисто — желтого цвета получается из семян льна. Его плотность 0, 93-0, 94 Мг/м3, температура застывания — около -200 °С.

Тунговое (древесное) масло получают из семян тунгового дерева, которое разводится на Дальнем Востоке и на Кавказе. Тунговое масло не является пищевым и даже токсично. Плотность тунгового масла — 94 Мг/м³, температура застывания — от 0 до минус 50 °С.
По сравнению с льняным маслом тунговое высыхает быстрее. Оно даже в толстом слое высыхает более равномерно и дает водонепроницаемую пленку, чем льняное.

Высыхающие масла применяются в электропромышленности для изготовления электроизоляционных масляных лаков, лакотканей, для пропитки дерева и для других целей. В последнее время наблюдается тенденция к замене высыхающих масел синтетическими материалами. Невысыхающие масла могут применяться в качестве жидких диэлектриков.

Проводники и непроводники электричества — урок. Физика, 8 класс.

Электроскоп — это простейший прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины.

Простейший школьный электроскоп изображён на рисунке. В нём металлический стержень (3) с листочками (4) пропущен через пластмассовую пробку (5) (втулку), вставленную в металлический корпус (1). Корпус с обеих сторон закрыт стёклами (2).

Если к положительно заряженному электроскопу поднести тело, заряженное таким же знаком, как электроскоп, то его листочки разойдутся сильнее.

Обрати внимание!

Приближая к электроскопу тело, заряженное противоположным по знаку зарядом, заметим, что угол между листочками электроскопа уменьшится.

Таким образом, заряженный электроскоп позволяет обнаружить, каким зарядом наэлектризовано то или иное тело.

По отклонению листочков электроскопа можно определить также, увеличился или уменьшился его заряд. Чем больше угол, на который разойдутся листочки электроскопа при его электризации, тем сильнее он наэлектризован. Значит, тем больший электрический заряд на нём находится.

Существует ещё один вид электроскопа — электрометр.

В нём вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка. Она, заряжаясь от стержня, отталкивается от него на некоторый угол.

По способности передавать электрические заряды вещества делятся на проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества — это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.
Из металлов лучшие проводники электричества — серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами.

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и др. У полупроводников способность проводить электрические заряды резко увеличивается при повышении температуры.

Обрати внимание!

При помощи электроскопа (электрометра) можно проверить, является ли данное вещество проводником электричества.

Если прикоснуться данным веществом к стержню заряженного электроскопа (держа его в руках) и его заряд станет равным нулю, то данное вещество является проводником. Если показание не изменится, то данное вещество — диэлектрик.

Необходимо учитывать, что при изменении влажности, например, сухое дерево (диэлектрик) становится влажным. Вода является проводником электричества, поэтому влажное дерево тоже становится проводником.

Источники:

Пёрышкин А. В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

уроки.мирфизики.рф/index.php?option=com_content&view=article&id=146:30—&catid=38:2011-11-29-17-15-09&Itemid=65

Физика 8 класс. Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — хорошие проводники электрических зарядов.

___

Изолятор ( или диэлектрик ) — тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести — стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода,
(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться: отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные ионы – к отрицательному электроду.
В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.

ИНТЕРЕСНО …

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___

К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Гальваностегия.

Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых. Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске.
Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить,
что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!
Об этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

Устали? — Отдыхаем!

1.2. Электропроводность диэлектриков. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

1.2.2. Электропроводность жидкостей

1.2.3. Электропроводность газов

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r, тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции — объемный сквозной ток I_V — очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности — поверхностный сквозной ток I_S. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:

. (1. 3)

Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = I_V / U и поверхностной G = I_S / U:

. (1.4)

Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции — объемным R_V и поверхностным R_S. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

. (1.5)

Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики R_S вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r _S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения I_см, плотность которого J_см = ∂D /∂t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции I_абс.

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток I_скв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:

(1.6)

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках D W >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:

(1.7)

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:

. (1.8)

Однако зависимость g (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда r мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси.

1.2.2. Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

, (1.9)

где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость:

. (1.10)

Здесь μ₊ и μ_– — подвижности положительных и отрицательных ионов; q — заряд иона; n и А — константы.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт) r = 10³ — 10⁵, для слабо полярных (касторовое масло) r = 10⁸ — 10¹⁰, для неполярных (бензол, трансформаторное масло) r > 10¹⁰ — 10¹³ Ом× м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.

В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

1.2.3. Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м³ воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

Заряженные ионы, так же как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.

В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N₊ = N_–, а число рекомбинирующих ионовпостоянно N_р = a N₊ N_–, где a — коэффициент рекомбинации ионов газа [м³/с].

При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями u ₊ = m ₊E и u _– = m _–E, где m ₊ и m _– — подвижности положительного и отрицательного ионов.

Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока

. (1.11)

Принимая во внимание, что J = g Е, получаем выражение для удельной проводимости газа:

(1.12)

При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда N_р, a , m ₊ и m _– можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома.

Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10^-16 — 10^-14 А/м².

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Е_пр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения «лавин», и ток очень резко возрастает, пока при J = Е_пр не наступает пробой газа.

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления R_S.

, (1.13)

где h — расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b — длина электродов.

У проводниковых материалов поверхностные токи исчезающе малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных.

Характер зависимости R_S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения R. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения R_S изменяются быстрее, чем значения R.

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых — влаги. Кроме того, R_S падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляционных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами с большим значением R_S.

Диэлектрические прокладки — вопросы и ответы в MRI

Вопросы и ответы в МРТ

Главная
Полный список вопросов
… Магниты и сканеры
- Основной электромагнетизм >
  - Что вызывает магнетизм?
  - Что такое Тесла?
  - Кем был Тесла?
  - Что такое гаусс?
  - Насколько силен 3. 0T?
  - Что такое градиент?
  - Разве не градиентные катушки?
  - Что такое восприимчивость?
  - Как левитировать лягушку?
  - Что такое ферромагнетизм?
  - Суперпарамагнетизм?
- Магниты — Часть I >
  - Типы магнитов?
  - Марки сканеров?
  - В какую сторону указывает поле?
  - Какой северный полюс?
  - Низкое v среднее v высокое поле?
  - Преимущества перед low-field?
  - Недостатки?
  - Что такое однородность?
  - Почему однородность?
  - Почему шимминг?
  - Пассивное регулирование?
  - Активное регулирование?
- Магниты — Часть II >
  - Сверхпроводимость?
  - Вечное движение?
  - Как съехать?
  - Сверхпроводящий дизайн?
  - Room Temp supercon?
  - Использование жидкого гелия?
  - Что такое закалка?
  - Поле когда-нибудь отключалось?
  - Кнопка аварийной остановки?
- Градиенты >
  - Градиентные катушки?
  - Как работают z-градиенты?
  - X- и Y- градиенты?
  - Открыть градиенты сканера?
  - Проблемы с вихревыми токами?
  - Активные экранированные градиенты?
  - Замешательство активного щита?
  - Что такое предварительный упор?
  - Градиентный нагрев?
  - Характеристики градиента?
  - Линейность градиента?
- RF и катушки >
  - Много видов катушек?
  - Радиочастотные волны?
  - Частота фазы v?
  - Функция (-ы) РЧ-катушки?
  - РЧ-передающие катушки?
  - LP против CP (квадратурная)?
  - Мульти-передача RF?
  - Катушки только для приема?
  - Катушки массива?
  - Воздушные змеевики?
- Планирование площадки >
  - Схема системы MR?
  - Что такое периферийные поля?
  - Зоны безопасности ACR?
  - Как уменьшить бахрому?
  - Магнитное экранирование?
  - Необходимы вибрационные испытания?
  - Что это за шум?
  - Почему радиочастотное экранирование?
  - Провода / трубки через стену?
… ЯМР-феномен
- Вращение >
  - Что такое спин?
  - Почему I = ½, 1 и т. Д.?
  - Протон = ядро = спин?
  - Предсказать ядерный спин (I)?
  - Магнитный дипольный момент?
  - Гиромагнитное отношение (γ)?
  - «Вращение» против «Состояние вращения»?
  - Расщепление энергии?
  - Упасть в самое низкое состояние?
  - Квантовая «реальность»?
- Прецессия >
  - Почему прецессия?
  - Кем был Лармор?
  - Энергия прецессии?
  - Химический сдвиг?
  - Чистая намагниченность (M)?
  - Мгновенно появляется М?
  - Прецессирует ли M?
  - Прецессия = ЯМР?
- Резонанс >
  - МРТ против МРТ против ЯМР?
  - Кто открыл ЯМР?
  - Как B1 подсказывает M?
  - Почему на ларморовской частоте?
  - Что такое угол поворота?
  - Прецессия вращения после 180 °?
  - Фазовая когерентность?
  - Высвобождение радиочастотной энергии?
  - Вращающаяся рамка?
  - Нерезонансный?
  - Адиабатическое возбуждение?
  - Адиабатические импульсы?
- Релаксация — Физика >
  - Уравнения Блоха?
  - Что такое Т1?
  - Что такое Т2?
  - Скорость релаксации во времени?
  - Почему Т1> Т2?
  - Т2 против Т2 *?
  - Причины расслабления?
  - Диполь-дипольные взаимодействия?
  - Химический обмен?
  - Спин-спиновые взаимодействия?
  - Эффекты макромолекул?
  - Какие H производят сигнал?
  - «Невидимые» протоны?
  - Передача намагничивания?
  - Бо влияет на Т1 и Т2?
  - Как предсказать T1 и T2?
- Релаксация — Клиническая >
  - Т1 яркий? — жир
  - Т1 яркий? — другие масла
  - Т1 яркий? — холестерин
  - Т1 яркий? — кальцификаты
  - Т1 яркий? — меконий
  - Т1 яркий? — меланин
  - Т1 яркий? — протеин / муцин
  - Т1 яркий? — миелин
  - Магический угол?
  - МТ изображения / контраст?
… Импульсные последовательности
- MR сигналы >
  - Происхождение сигнала MR?
  - Распад свободной индукции?
  - Градиентное эхо?
  - TR и TE?
  - Спиновое эхо?
  - 90 ° -90 ° Hahn Echo?
  - Стимулированное эхо?
  - STE для визуализации?
  - 4 или более ВЧ-импульсов?
  - Частичные углы поворота?
  - Как сигнал выше?
  - Оптимальный угол поворота?
- Спин-эхо >
  - SE против Multi-SE против FSE?
  - Контраст изображения: TR / TE?
  - Противоположные эффекты ↑ T1 ↑ T2?
  - Значение веса?
  - Подходит ли SE для T2?
  - Влияние 180 ° на Mz?
  - Направление импульса 180 °?
- Инверсия Recovery >
  - Что такое ИК?
  - Зачем использовать ИК?
  - Фазочувствительный ИК?
  - Почему не PSIR всегда?
  - Выбор ИК-параметров?
  - TI обнулить ткань?
  - ПЕРЕПОЛОХ?
  - T1-FLAIR
  - T2-FLAIR?
  - IR-подготовленные последовательности?
  - Двойной ИК?
- Градиентное эхо >
  - GRE против SE?
  - Мульти-эхо GRE?
  - Типы последовательностей GRE?
  - Коммерческие сокращения?
  - Порча — что и как?
  - Испорченные параметры GRE?
  - Избалован только T1W?
  - Что такое SSFP?
  - GRASS / FISP: как?
  - GRASS / FISP: параметры?
  - GRASS против MPGR?
  - PSIF против FISP?
  - Истинный FISP / FIESTA?
  - ФИЕСТА против ФИЕСТА-С?
  - ДЕСС?
  - MERGE / MEDIC?
  - GRASE?
  - MP-RAGE v MR2RAGE?
- Восприимчивость изображений >
  - Что такое восприимчивость (χ)?
  - Что не так с GRE?
  - Создание образа ПО?
  - Фаза крови v Ca ++?
  - Количественная восприимчивость?
- Распространение: базовое >
  - Что такое диффузия?
  - Изо- / анизотропная диффузия?
  - «Видимое» распространение?
  - Делаете образ DW?
  - Что такое b-значение?
  - b0 против b50?
  - Трассировка против карты АЦП?
  - Смена света / темноты?
  - Т2 «просвечивает»?
  - Экспоненциальный АЦП?
  - Т2 «затемнение»?
  - DWI яркие причины?
- Распространение: Продвинутый >
  - Тензор диффузии?
  - DTI (тензорная визуализация)?
  - DWI всего тела?
  - Считываемый сегментированный DWI?
  - Малый угол обзора DWI?
  - IVIM?
  - Диффузионный эксцесс?
- Жировая визуализация >
  - Свойства жира и воды?
  - Химический сдвиг F-W?
  - В фазе / не в фазе?
  - Лучший способ?
  - Метод Диксона?
  - «Жирно-насыщенные» бобовые?
  - Водное возбуждение?
  - ПЕРЕПОЛОХ?
  - ДУХ?
  - СПАЙР против ДУХА?
  - SPIR / SPAIR v STIR?
… Создание изображения
- От сигналов к изображениям >
  - Частота фазы v?
  - Угловая частота (ω)?
  - Сигнальные волнистые линии?
  - Реальный v Мнимый?
  - Преобразование Фурье (FT)?
  - Что такое 2D- и 3D-FT?
  - Кто изобрел МРТ?
  - Как найти сигналы?
- Частотное кодирование >
  - Частотное кодирование?
  - Пропускная способность приемника?
  - Узкая полоса пропускания?
  - Срез-селективное возбуждение?
  - Лепестки градиента СС?
  - Перекрестный разговор?
  - Частота все кодирует?
  - Смешивание ломтиков?
  - Одновременные срезы?
- Фазовое кодирование >
  - Градиент фазового кодирования?
  - Один шаг PE?
  - Что такое фазовое кодирование?
  - ЧП и ИП вместе?
  - 2DFT реконструкция?
  - Выбираете направление PE / FE?
- Выполнение МРТ-сканирования >
  - Какие шаги?
  - Автоматическое предварительное сканирование?
  - Обычная регулировка?
  - Настройка / согласование катушек?
  - Центральная частота?
  - Коэффициент усиления передатчика?
  - Усиление приемника?
  - Пустые циклы?
  - Где мои данные?
  - Квалификация MR Tech?
… K-space и Rapid Imaging
- K-пространство (базовый) >
  - Что такое k-пространство?
  - Части k-пространства?
  - Что означает «к»?
  - Пространственные частоты?
  - Локации в k-пространстве?
  - Данные для k-пространства?
  - Почему сигнал ↔ k-space?
  - Спин-деформация изображения?
  - Большое пятно посередине?
  - Траектории в K-пространстве?
  - Радиальный отбор проб?
- K-space (Продвинутый) >
  - К-пространственная сетка?
  - Отрицательные частоты?
  - Поле зрения (FOV)
  - Прямоугольное поле зрения?
  - Частичный Фурье?
  - Фазовая симметрия?
  - Читать симметрию?
  - Почему бы не использовать оба?
  - ZIP?
- Быстрая визуализация (FSE и EPI) >
  - Что такое FSE / TSE?
  - Параметры FSE?
  - Яркий жир?
  - Другие отличия FSE?
  - Двойное эхо FSE?
  - Управляемое равновесие?
  - Уменьшенный угол поворота FSE?
  - Гиперэхо?
  - КОСМОС / КУБ / ПЕЙЗАЖ?
  - Эхо-планарное изображение?
  - HASTE / SS-FSE?
- Параллельная визуализация (PI) >
  - Что такое ИП?
  - Чем отличается PI?
  - Катушки и последовательности PI?
  - Зачем и когда использовать?
  - Два типа ИП?
  - СМЫСЛ / АКТИВ?
  - GRAPPA / ARC?
  - КАЙПИРИНЬЯ?
  - Шум в PI?
  - Артефакты в PI?
… Контрастные вещества и кровь
- Контрастные вещества: физика >
  - Почему гадолиний?
  - Парамагнитная релаксация?
  - Что такое расслабление?
  - Почему Б-г сокращает Т1?
  - Влияет ли Б-г на Т2?
  - Gd и напряженность поля?
  - Лучшая последовательность импульсов T1?
  - Тройная доза и МТ?
  - Динамическая визуализация CE?
  - Гадолиний на КТ?
- Контрастные вещества: клинические >
  - Так много агентов Б-га!
  - Важные свойства?
  - Ионный v неионный?
  - Внутрисуставной / текальный Gd?
  - Б-г агенты печени (Эовист)?
  - Mn агентов (Тесласкан)?
  - Феридекс и печеночные агенты?
  - Возбудители лимфатических узлов?
  - Ферумокситол?
  - Бассейн крови (Аблавар)?
  - Контрастные вещества кишечника?
- Контрастные вещества: безопасность >
  - Безопасность гадолиния?
  - Аллергические реакции?
  - Почечная токсичность?
  - Что такое NSF?
  - NSF агентом?
  - Осознанное согласие для Б-га?
  - Б-г протокол?
  - Безопасен ли Б-г для младенцев?
  - Сниженная доза для младенцев?
  - Б-г в грудном молоке?
  - Б-г во время беременности?
  - Накопление Б-га?
  - Болезнь отложений Gd?
- Кровь: парамагнетизм >
  - Обзор гематомы?
  - Типы гемоглобина?
  - Сверхострый / Oxy-Hb?
  - Острый / Deoxy-Hb?
  - Подострый / Met-Hb?
  - Дезокси-Hb против Met-Hb?
  - Внеклеточный met-Hb?
  - Хронические гематомы?
  - Гемихромы?
  - Ферритин / Гемосидерин?
  - Субарахноидальная кровь?
… Сердечно-сосудистые заболевания и МРА
- Эффекты потока в МРТ >
  - Определение потока?
  - Ожидаемые скорости?
  - Ламинарный v турбулентный?
  - Прогнозирование MR потока?
  - Эффекты времени пролета?
  - Эффекты фазы вращения?
  - Поток пуст?
  - Почему GRE ↑ сигнал потока?
  - Медленный поток v тромб?
  - Перефазировка четного эха?
  - Компенсация потока?
  - Смещение регистрации потока?
- МР-ангиография — I >
  - Методы MRA?
  - Темная кровь против яркой?
  - Time-of-Flight (TOF) MRA?
  - 2D против 3D MRA?
  - Параметры MRA?
  - Передача намагничивания?
  - Угол поворота с наклоном?
  - МОЦА?
  - MRA с подавлением жира?
  - TOF MRA Артефакты?
  - Фазово-контрастная МРА?
  - Что такое VENC?
  - Измерение расхода?
  - Насколько точно?
- МР-ангиография — II >
  - Закрытый 3D FSE MRA?
  - Параметры 3D FSE MRA?
  - SSFP MRA?
  - SSFP с усиленным притоком?
  - MRA с ASL?
  - Другие методы МРА?
  - МРА с усилением контраста?
  - Время болюсного введения?
  - Посмотреть заказ в MRA?
  - Погоня за болюсом?
  - Уловки или твист?
  - Артефакты CE-MRA?
- Сердечный I — Введение / Анатомия >
  - Кардиологические протоколы?
  - Подготовка пациента?
  - Проблемы с ЭКГ?
  - Магнит меняет ЭКГ?
  - Срабатывание стробирования v?
  - Параметры стробирования?
  - Сердечные навигаторы?
  - Темная кровь / Двойной ИК?
  - Почему не одиночный ИК?
  - Тройной ИК?
  - Полярные сюжеты?
  - МРА коронарной артерии?
- Cardiac II — функция >
  - Фильмы о биении сердца?
  - Параметры кино?
  - Кино в реальном времени?
  - Желудочковая функция?
  - Теги / СПАМ?
  - Перфузия: зачем и как?
  - Перфузия 1-го прохода?
  - Количественная оценка перфузии?
  - Артефакт темного обода
- Сердечный III — Жизнеспособность >
  - Б-г улучшение?
  - TI обнулить миокард?
  - PS (фазочувствительный) IR?
  - Отображение T1?
  - Железо / Т2 * -маппинг?
  - Отек / Т2-картирование?
  - Почему / как стресс-тест?
  - Stess препараты / средства?
  - Форма согласия на стресс?
… MR Артефакты
- Артефакты, связанные с тканями >
  - Артефакт химического сдвига?
  - Химический сдвиг по фазе?
  - Уменьшение химического сдвига?
  - Химический сдвиг 2-го рода?
  - В фазе / не в фазе?
  - Точка отскока ИК?
  - Артефакт восприимчивости?
  - Подавление металла?
  - Диэлектрический эффект?
  - Диэлектрические прокладки?
- Артефакты, связанные с движением >
  - Почему дискретные призраки?
  - Направление артефакта движения?
  - Уменьшение артефактов движения?
  - Насыщение импульсов?
  - Методы стробирования?
  - Респираторный комп?
  - Навигатор перекликается?
  - ВИНТ / ЛЕЗВИЕ?
- Артефакты, связанные с техникой >
  - Эффекты частичного объема?
  - Срезы перекрываются?
  - Сглаживание?
  - Оборачивающийся артефакт?
  - Устранить зацикливание?
  - Фазовая передискретизация?
  - Частотный переход?
  - Спиральные / радиальные артефакты?
  - Артефакт Гиббса?
  - Найквист (N / 2) призраки?
  - Застежка-молния артефакт?
  - Артефакты данных?
  - Развальцовка поверхностного змеевика?
  - Артефакты MRA (TOF)?
  - Артефакты MRA (CE)?
… Функциональная визуализация
- Перфузия I: Введение и DSC >
  - Измерение перфузии?
  - Значение CBF, MTT и т. Д.?
  - DSC v DCE v ASL?
  - Как выполнить DSC?
  - Болюсный эффект Gd?
  - Т1 влияет на ДСК?
  - Рециркуляция DSC?
  - Анализ кривой ДСК?
  - Сигнал ЦИВ v [Gd]
  - Артериальный ввод (AIF)?
  - Количественный ДСК?
- Перфузия II: DCE >
  - Что такое DCE?
  - Как выполняется DCE?
  - Как анализируется DCE?
  - DCE груди?
  - DCE сигнал v [Gd]
  - Параметры ткани DCE?
  - Параметры к изображениям?
  - К-транс = проницаемость?
  - Утилита DCE?
- Перфузия III: ASL >
  - Что такое ASL?
  - Обзор методов ASL?
  - CASL?
  - PASL?
  - pCASL?
  - Параметры ASL?
  - Артефакты ASL?
  - Гадолиний и ASL?
  - Цветные карты сосудов?
  - Количественная оценка потока?
- Функциональная МРТ / BOLD — I >
  - Кто изобрел фМРТ?
  - Как работает фМРТ?
  - Смелый контраст?
  - Почему ЖИРНЫЙ ↑ сигнализирует?
  - ЖИРНЫЙ = мозговая активность?
  - ЖИРНЫЕ импульсные последовательности?
  - Дизайн парадигмы фМРТ?
  - Почему сравнение «включено-выключено»?
  - Моторные парадигмы?
  - Визуальный?
  - Язык?
- Функциональная МРТ / BOLD — II >
  - Обработать / проанализировать фМРТ?
  - Лучшее программное обеспечение для фМРТ?
  - Предварительная обработка данных?
  - Регистрация / нормализация?
  - Статистический анализ фМРТ?
  - Общая линейная модель?
  - Активация «блобов»?
  - Ложная активация?
  - ФМРТ в состоянии покоя?
  - Проанализировать RS-fMRI?
  - Сеть / Графики?
  - фМРТ при 7Т?
  - Чтение мыслей / детектор лжи?
  - критика фМРТ?
… МР-спектроскопия
- MRS I — Основы >
  - МРТ против МРС?
  - Спектры против изображений?
  - Химический сдвиг (δ)?
  - Измерение δ?
  - Обратная шкала δ?
  - Прогнозирование δ?
  - Размер / форма вершин?
  - Расщепление вершин?
  - Методы локализации?
  - Single v multi-voxel?
  - НАЖМИТЕ?
  - ПАР?
  - ИГИЛ?
  - CSI?
- MRS II — Клиническая ¹H MRS >
  - Как: мозг MRS?
  - Подавление воды?
  - Подавление жира?
  - Нормальные спектры мозга?
  - Выбор TR / TE / etc?
  - Угол охотника?
  - Лактатная инверсия?
  - Картирование метаболитов?
  - Количественное определение метаболитов?
  - Грудь MRS?
  - Б-г влияет на MRS?
  - Практическое руководство: MRS простаты?
  - Спектры простаты?
  - Мышца ¹H-MRS?
  - Печень ¹H-MRS?
  - Артефакты MRS?
- MRS III — многоядерный >
  - Другие ядра?
  - Почему фосфор?
  - Практическое руководство: ³¹P MRS
  - Нормальные спектры ³¹P?
  - Органные различия?
  - ³¹P измерения?
  - Развязка?
  - НЕТ?
  - Carbon MRS?
  - Визуализация натрия?
  - Ксеноновая визуализация?
…Качество и безопасность
- Контроль качества изображения >
  - Кто регулирует МРТ?
  - Кто аккредитует?
  - Обязательная аккредитация?
  - Регулярный контроль качества?
  - МР-фантомы?
  - Геометрическая точность?
  - Равномерность изображения?
  - Параметры среза?
  - Разрешение изображения?
  - Сигнал к шуму?
  - Призрак?
- Безопасность статического поля >
  - Снаряды?
  - Металлоискатели?
  - Виды металла?
  - Форма объекта?
  - Силы на металле?
  - Самое опасное место?
  - Биоэффекты статического поля?
  - Головокружение / вертиго?
  - Мерцающие огни?
  - Металлический вкус?
- Градиент и радиочастотная безопасность >
  - Акустический шум?
  - Стимуляция нервов?
  - Биологические эффекты RF?
  - Что такое SAR?
  - Пределы SAR?
  - Режимы работы?
  - Как снизить SAR?
  - RF горит?
  - SED против SAR?
  - B1 + среднеквадратичное значение против SAR?
  - Беременные пациентки?
  - Воздействие на персонал?
  - Сотовые телефоны?
- Имплантаты и устройства — I >

% PDF-1.3 % 89 0 объект > endobj xref 89 79 0000000016 00000 н. 0000001928 00000 н. 0000002870 00000 н. 0000003122 00000 н. 0000003186 00000 п. 0000003408 00000 н. 0000003522 00000 н. 0000003635 00000 н. 0000003768 00000 н. 0000003896 00000 н. 0000004074 00000 н. 0000004251 00000 п. 0000004374 00000 н. 0000004495 00000 н. 0000004636 00000 н. 0000004793 00000 н. 0000004951 00000 н. 0000005117 00000 н. 0000005284 00000 п. 0000005557 00000 н. 0000011620 00000 п. 0000011950 00000 п. 0000012393 00000 п. 0000012910 00000 п. 0000013602 00000 п. 0000014047 00000 п. 0000014088 00000 п. 0000020630 00000 п. 0000021059 00000 п. 0000021837 00000 п. 0000022359 00000 п. 0000022381 00000 п. 0000022455 00000 п. 0000022838 00000 п. 0000023145 00000 п. 0000023320 00000 п. 0000023567 00000 п. 0000023881 00000 п. 0000024047 00000 п. 0000026466 00000 п. 0000026931 00000 п. 0000027869 00000 н. 0000027891 00000 п. 0000028811 00000 п. 0000028833 00000 п. 0000028918 00000 п. 0000029227 00000 п. 0000029428 00000 п. 0000029752 00000 п. 0000030009 00000 п. 0000030929 00000 п. 0000030951 00000 п. 0000031866 00000 п. 0000031888 00000 п. 0000032014 00000 п. 0000032883 00000 п. 0000033213 00000 п. 0000033438 00000 п. 0000033757 00000 п. 0000033979 00000 п. 0000034266 00000 п. 0000034546 00000 п. 0000035026 00000 п. 0000035266 00000 п. 0000036046 00000 п. 0000036160 00000 п. 0000037055 00000 п. 0000037077 00000 п. 0000037849 00000 п. 0000037871 00000 п. 0000038794 00000 п. 0000038816 00000 п. 0000041491 00000 п. 0000041570 00000 п. 0000042035 00000 п. 0000042842 00000 п. 0000050754 00000 п. 0000002079 00000 н. 0000002848 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 90 0 объект > endobj 166 0 объект > поток Hb«f`g`g` Ā

Что такое круговорот воды?

Краткий ответ:

Круговорот воды — это путь, по которому следует вся вода, когда она движется вокруг Земли в разных состояниях.Жидкая вода находится в океанах, реках, озерах и даже под землей. Твердый лед встречается в ледниках, снегах, а также на Северном и Южном полюсах. Водяной пар — газ — находится в атмосфере Земли.

Воду можно найти по всей Земле в океане, на суше и в атмосфере. Круговорот воды — это путь, по которому следует вся вода при движении вокруг нашей планеты.

На Земле можно найти воду во всех трех состояниях материи: твердое, , жидкое, и газовое, .Жидкая вода содержится в океанах, реках, озерах, ручьях Земли и даже в почве и под землей. Твердый лед встречается в ледниках, снегах, а также на Северном и Южном полюсах. Водяной пар — газ — находится в атмосфере Земли.

Как вода проходит от ледника до океана и облака? Вот тут и появляется круговорот воды.

Круговорот воды

Источник: НАСА / Лаборатория реактивного движения — Калифорнийский технологический институт

Солнечное тепло заставляет ледники и снег таять в жидкую воду. Эта вода попадает в океаны, озера и ручьи.Вода от тающего снега и льда также попадает в почву. Там он поставляет воду для растений и грунтовые воды, которые мы пьем.

Снег, падающий на ледник в зимние месяцы, обычно заменяет собой воду, которая тает летом. Однако из-за общего потепления Земли большинство ледников сегодня теряет больше льда, чем восстанавливает, что со временем приводит к их сокращению.

Как вода попадает в атмосферу? Это происходит двумя основными способами:

Тепло от Солнца вызывает испарение воды из океанов, озер и ручьев.Испарение происходит, когда жидкая вода на поверхности Земли превращается в водяной пар в нашей атмосфере.
Вода из растений и деревьев также попадает в атмосферу. Это называется транспирация .

Теплый водяной пар поднимается вверх через атмосферу Земли. Когда водяной пар поднимается все выше и выше, прохладный воздух атмосферы заставляет водяной пар снова превращаться в жидкую воду, создавая облака. Этот процесс называется конденсацией .

Когда облако наполняется жидкой водой, оно падает с неба в виде дождя или снега — также известное как осадков .Затем дождь и снег заполняют озера и ручьи, и процесс начинается снова.

Облака, подобные этим над саванной в Найроби, Кения, образуются, когда водяной пар в атмосфере конденсируется обратно в жидкую воду. Кредит: Государственный департамент

Почему мы заботимся о круговороте воды?

Мы заботимся о круговороте воды, потому что вода необходима всем живым существам. Спутники НАСА, вращающиеся сейчас вокруг Земли, помогают нам понять, что происходит с водой на нашей планете.

Вода в почве

Людям нужна вода для питья и для полива растений, на которых растет наша еда. У НАСА есть спутник под названием SMAP (сокращенно от Soil Moisture Active Passive ), который измеряет, сколько воды находится в верхних 2 дюймах (5 см) почвы Земли. Это может помочь нам понять взаимосвязь между водой в почве и суровыми погодными условиями, такими как засуха.

Вода в атмосфере

Миссия NASA CloudSat изучает воду в нашей атмосфере в виде облаков.CloudSat собирает информацию об облаках и о том, как они влияют на климат Земли. Кроме того, международный спутник Global Precipitation Measurement Mission (GPM) наблюдает, когда, где и сколько идет дождь и снег на Земле.

Вода в Мировом океане

По мере того, как климат Земли становится теплее, наземный лед на Северном и Южном полюсах начинает таять. Затем вода стекает в океан, вызывая повышение уровня моря. Миссия НАСА Jason-3 — сокращение от Joint Altimetry Satellite Oceanography Network-3 — вращается вокруг Земли, собирая информацию об уровне моря и температуре океана.Это помогает отслеживать реакцию океана на изменение климата Земли.

НАСА также отслеживает движение земной воды по всей нашей планете. Это работа GRACE-FO — или Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow On — миссии. Он отслеживает движение воды от месяца к месяцу и может даже измерять изменения в глубоких грунтовых водах на сотни футов ниже поверхности Земли.

Спутник НАСА Aqua также собирает большой объем информации о круговороте воды на Земле, включая воду в океанах, облака, морской лед, наземный лед и снежный покров.

Функции воды: 7 преимуществ для здоровья

1. Вода защищает ваши ткани, спинной мозг и суставы

Вода не только утоляет жажду и регулирует температуру тела; согласно системе здравоохранения Mayo Clinic Health System, он сохраняет ткани в вашем теле влажными. Вы знаете, каково это, когда у вас пересыхают глаза, нос или рот? Поддержание гидратации тела помогает поддерживать оптимальный уровень влаги в этих чувствительных областях, а также в крови, костях и мозге.Кроме того, вода помогает защитить спинной мозг, а также действует как смазка и подушка для ваших суставов.

2. Вода помогает организму выводить отходы

Достаточное потребление воды позволяет организму выводить отходы через потоотделение, мочеиспускание и дефекацию. По данным Национального фонда почек, вода помогает почкам выводить шлаки из крови и держать кровеносные сосуды, идущие к почкам, открытыми и фильтровать их. Вода также важна для предотвращения запоров, отмечает Медицинский центр Университета Рочестера.Однако, как отмечается в исследовании, нет никаких доказательств того, что увеличение потребления жидкости вылечит запор.

СВЯЗАННЫЙ: Вы пьете достаточно воды? Риски обезвоживания для здоровья

3. Вода помогает пищеварению

Вода важна для здорового пищеварения. Как объясняют в клинике Майо, вода помогает расщеплять пищу, которую вы едите, позволяя ее питательным веществам усваиваться вашим телом. После того, как вы пьете, ваш тонкий и толстый кишечник поглощает воду, которая попадает в кровоток и также используется для расщепления питательных веществ.По данным Национального института диабета, болезней пищеварительной системы и почек, по мере того как ваш толстый кишечник поглощает воду, стул превращается из жидкого в твердый. Согласно MedlinePlus, вода также необходима для переваривания растворимой клетчатки. С помощью воды это волокно превращается в гель и замедляет пищеварение.

4. Вода предохраняет вас от обезвоживания

По данным Центров, ваше тело теряет жидкость, когда вы занимаетесь энергичными упражнениями, потеете при сильной жаре, у вас поднимается температура или вы заболели болезнью, вызывающей рвоту или диарею по контролю и профилактике заболеваний.Если вы теряете жидкость по любой из этих причин, важно увеличить потребление жидкости, чтобы вы могли восстановить естественный уровень гидратации вашего тела. Ваш врач также может порекомендовать вам пить больше жидкости, чтобы помочь в лечении других заболеваний, таких как инфекции мочевого пузыря и камни в мочевых путях. Если вы беременны или кормите грудью, вы можете проконсультироваться с врачом о потреблении жидкости, потому что ваше тело будет использовать больше жидкости, чем обычно, особенно если вы кормите грудью.

СВЯЗАННЫЙ: Водное голодание 101: что вам нужно знать

5.Вода помогает вашему мозгу оптимально функционировать

Вы когда-нибудь чувствовали туман в голове? Сделайте глоток воды. Исследования показывают, что обезвоживание является тормозом для памяти, внимания и энергии, согласно небольшому исследованию взрослых мужчин из Китая, опубликованному в июне 2019 года в Международном журнале экологических исследований и общественного здравоохранения . Это неудивительно, учитывая, что h3O составляет 75 процентов мозга, отмечают авторы. Одна из причин этого ощущения затуманенности? «Адекватный баланс электролитов жизненно важен для поддержания оптимального функционирования вашего тела.Низкий уровень электролитов может вызвать проблемы, включая мышечную слабость, утомляемость и спутанность сознания », — говорит Габриэль Лайон, врач-терапевт, врач функциональной медицины из Нью-Йорка.

6. Вода сохраняет здоровье сердечно-сосудистой системы

Вода составляет огромную часть вашей крови. (Например, плазма — бледно-желтая жидкая часть вашей крови — на 90% состоит из воды, отмечает Британика.) Если вы обезвоживаетесь, ваша кровь становится более концентрированной, что может привести к дисбалансу содержащихся в ней минералов-электролитов (натрия и калий, например), — говорит Сьюзан Блюм, доктор медицинских наук, основательница Центра здоровья Блюм в Рай-Брук, Нью-Йорк.Эти электролиты необходимы для правильной работы мышц и сердца. «Обезвоживание также может привести к снижению объема крови и, следовательно, артериального давления, поэтому при вставании вы можете почувствовать головокружение или одышку», — говорит она.

СВЯЗАННЫЙ: Это обезвоживание или что-то еще?

7. Вода может помочь вам питаться здоровее

Это может быть простым, но мощным. Согласно исследованию, опубликованному в феврале 2016 года в журнале Journal of Human Nutrition, в исследовании, в котором приняли участие более 18 300 взрослых американцев, люди, которые пили всего на 1 процент больше воды в день, потребляли меньше калорий и насыщенных жиров, сахара, натрия и холестерина. и диетология .Вода может помочь вам насытиться, особенно если вы пьете ее перед едой — идея, которая была подтверждена в небольшом исследовании 15 молодых, здоровых участников, которое было опубликовано в октябре 2018 года в Clinical Nutrition Research .

Сколько воды вам нужно?

Как отмечает Mayo Clinic, Национальные академии наук, инженерии и медицины рекомендуют мужчинам потреблять 3,7 литра (15,5 стакана), а женщинам — 2,7 литра (11,5 стакана) жидкости в день, которые могут поступать из воды и напитков. в целом и продукты питания (например, фрукты и овощи).Вы также можете попробовать тест на цвет мочи, предоставленный Командованием здравоохранения армии США, чтобы оценить, как вы пьете. После посещения туалета посмотрите на цвет своей мочи. Если он от очень бледно-желтого до светло-желтого, значит, вы хорошо увлажнены. Более темный желтый цвет — признак обезвоживания. Коричневая моча или моча цвета колы — это неотложная медицинская помощь, и вам следует обратиться за медицинской помощью.

Дополнительная информация от Джен Ласки .

PPT — Проводники и диэлектрики Презентация PowerPoint, скачать бесплатно

Проводники и диэлектрики • Проводники • Ток, плотность тока, скорость дрейфа, непрерывность • Энергетические диапазоны в материалах • Подвижность, закон микро / макро Ома • Граничные условия на проводники • Методы изображений • Диэлектрики • Поляризация, смещение, электрическое поле • Диэлектрическая проницаемость, восприимчивость, относительная диэлектрическая проницаемость • Исследование диэлектриков • Граничные условия на диэлектриках

Проводники и диэлектрики • Поляризация • Статическое выравнивание заряда в материале • Выравнивание заряда при подаче напряжения не перемещается дальше • Заряд пропорционален напряжению • Проводимость • Непрерывное движение заряда через материал • Входит с одной стороны, выходит с другой • Ток пропорционален напряжению • Реальные материалы • Пластмассы, керамика, стекло -> диэлектрики (возможно, некоторые проводимость) • Металлы -> проводники, полупроводники, сверхпроводники s • Цемент, биосистемы -> Оба (вода с высокой диэлектрической проницаемостью, солевой проводимостью)

n Ток и плотность тока • Базовое определение тока Кл / с = А • Базовая плотность тока (Дж перп.поверхность) • Векторная плотность тока

Плотность тока и скорость заряда • Базовое определение тока • В сочетании с предыдущим выражением • Дает плотность тока

Заряд и непрерывность тока • Ток, покидающий любую закрытую поверхность, является скоростью времени изменения заряда на этой поверхности • Использование теоремы о расходимости слева • Взятие производной по времени внутри интеграла • Приравнивание подынтегральных выражений Qi (t)

Пример — непрерывность заряда и тока • Заданная сферически симметричная плотность тока • Ток увеличивается от r = От 5 м до r = 6 м при t = 1 с • Плотность тока из уравнения неразрывности • Интеграл плотности заряда ρ w.Почему ток увеличивается? << Какая-то центральная отталкивающая сила!

Структура энергетических зон в трех типах материалов • Дискретные квантовые состояния расширяются в энергетические зоны в конденсированных материалах с перекрывающимися потенциалами • Валентная зона — крайняя заполненная зона • Зона проводимости — незаполненная зона с более высокой энергией • Структура зоны определяет тип материала • Изоляторы имеют большие энергетические зазоры, требующие большого количества энергии для подъема электронов в зону проводимости.Когда это происходит, диэлектрик выходит из строя. • В проводниках отсутствует энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому электроны перемещаются свободно. • Полупроводники имеют относительно небольшой энергетический зазор, поэтому небольшое количество энергии (приложенное посредством тепла, света или электрического поля) может поднимать электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Свободные электроны ускоряются электрическим полем. Сила, приложенная к электрону с зарядом Q = -e, равна. м2 / Вс.Скорость дрейфа используется в плотности тока посредством: Итак, закон Ома в точечной форме (свойство материала) с проводимостью, заданной как: См / м (электроны / дырки) Закон Ома (микроскопическая форма) См / м (электроны)

Закон Ома (макроскопическая форма) • Для постоянного электрического поля • Закон Ома принимает вид • Перестановка дает • Или • Изменение геометрии • Зависимость проводимости от сопротивления

Пример закона Ома 1 • Проверка микроскопической формы закона Ома • Мобильность меди 0.0032 м2 / Вс • Плотность заряда

Пример закона Ома 2

Граничные условия для проводников • Отсутствие электрического поля внутри • В противном случае заряды отталкиваются к поверхности • Отсутствие тангенциального электрического поля на поверхности • В противном случае заряды перераспределить вдоль поверхности • Нормальное электрическое поле на поверхности • Нормальное смещение равно плотности заряда (закон Гаусса)

или На прямоугольном пути интегрирования мы используем, чтобы найти: диэлектрик n Они становятся незначительными, когда h приближается к нулю.Следовательно, проводник Более формально: Граничное условие для тангенциального электрического поля E

Закон Гаусса применяется к цилиндрической поверхности, показанной ниже : диэлектрик Это сводится к следующему: когда h приближается к нулю n Следовательно, проводник Более формально: граничное условие для нормального смещения D

Тангенциальная E равна нулю На поверхности: нормаль D равна поверхностной плотности заряда Сводка

Пример — Граничные условия для проводников • Потенциал определяется как • Потенциал при (2 , -1,3) составляет 300 В.Также 300 В по всей поверхности, где • Таким образом, мы можем «вставить» проводник в области, если проводник следует гиперболе • Электрическое поле всегда перпендикулярно проводящей поверхности • Электрическое поле в точке 2, -1,3) • Ex = — 400 В / м, Ey = -200 В / м • Вниз и влево

Пример — Линии тока электрического поля • Наклон линии равен коэффициенту электрического поля • Перекомпоновка • Оценить на P (2, -1,3 ) -2

Пример граничного условия (с моего телефона) * * www.mathstudio.net

Теорема единственности утверждает, что если нам дана конфигурация зарядов и граничных условий, будет существовать только одно решение для потенциала и электрического поля. В электрическом диполе поверхность вдоль плоскости симметрии является эквипотенциальной с V = 0. То же самое верно, если там находится заземленная проводящая плоскость. Таким образом, граничные условия и заряды идентичны в верхних полупространствах обеих конфигураций (не в нижней половине).Фактически, изображения положительных точечных зарядов проходят через проводящую плоскость, позволяя заменить проводник изображением. Распределение поля и потенциала в верхнем полупространстве теперь найти намного проще! Метод изображений

Каждый заряд в данной конфигурации будет иметь свое собственное изображение Формы изображения Заряды

Хотите найти поверхностную плотность заряда на проводящей плоскости в точке (2,5,0). Линия заряда 30 нКл проходит параллельно оси y при x = 0, z = 3.Первый шаг — заменить проводящую плоскость линией изображения с зарядом -30 нКл при z = -3. Пример метода изображения

Векторы от каждого линейного заряда до точки наблюдения: Электрические поля от каждого линейного заряда Добавьте оба поля, чтобы получить: (компонент x отменяется) Пример метода изображения (продолжение) —

Электрическое поле в точке P составляет: Смещение, таким образом, плотность заряда равна n D Пример метода изображения (продолжение)

Метод изображения с использованием потенциалов • Проводящая плоскость в точке x = 4 с вертикальным проводом впереди.• Потенциал для провода спереди при x = 6, y = 3: • Граничное условие для провода спереди при x = 6, y = 3: • Граничное условие для провода изображения сзади при x = 2, y = 3:

Метод изображения с использованием потенциалов (продолжение) • Общий потенциал становится равным • В точке (7, -1,5) дает • Чтобы получить электрическое поле, необходимо записать V (ρ) как V (x, y) и взять градиент

Диэлектрики • Материал имеет произвольно ориентированные диполи • Приложенное поле выравнивает диполи (отрицательный на выводе (+), положительный на выводе (-) • Эффект заключается в отмене приложенного поля, понижении напряжения • ИЛИ, увеличении заряда для поддержания напряжения • Либо увеличивает емкость C = Q / V

Обзор дипольного момента • Определить дипольный момент • Потенциал для диполя • Записывается в терминах дипольного момента и положения • Дипольный момент определяет «силу» заряда полярной молекулы (Q) и смещение (d) заряда

Введение электрического поля ma y увеличьте разделение зарядов в каждом диполе и, возможно, переориентируйте диполи так, чтобы было некоторое совокупное выравнивание, как показано здесь.Эффект небольшой, а здесь он сильно преувеличен! E Эффект заключается в увеличении P. n = заряд / объем p = поляризация отдельного диполя P = поляризация / объем Поляризация как сумма дипольных моментов (на объем)

E Поляризация около положительных электродов • Из диаграммы • Превышение положительный связанный заряд рядом с верхним отрицательным электродом • Избыточный отрицательный связанный заряд возле нижнего положительного электрода • Остальной материал нейтрален • Избыточный заряд в связанных (красных) объемах • Запись с точки зрения поляризации • Запись аналогична закону Гаусса (обратите внимание на знак скалярного произведения, внешняя нормальная оставляет противоположный заряд вложенным) — — — — — — — — — — — — — — — нейтральный отрицательный + + + + + + + + + + + + +

E Объединение общего, бесплатного и связанного положительный заряд • Общий, свободный и связанный заряд • Общий • Свободный • Связанный • Объединение — — — — — — — — — — — — — — — — нейтральный отрицательный + + + + + + + + + + + + +

D, P и E в диэлектрике • D непрерывный • Поляризация incr облегчает • E уменьшается • C / м2

Связанный заряд: Общий заряд: свободный заряд: плотности заряда Взяв предыдущие результаты и используя теорему о расходимости, мы находим выражения для формы точки:

Более сильный электрический поле приводит к большей поляризации в среде.В линейной среде соотношение между P и E линейно и определяется выражением: где e — электрическая восприимчивость среды. Теперь мы можем написать: где диэлектрическая проницаемость или относительная диэлектрическая проницаемость определяется как: ведущая к общей диэлектрической проницаемости среды: где электрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость

В изотропной среде диэлектрическая проницаемость неизменна с направление приложенного электрического поля. Это не так в анизотропной среде (обычно кристалле), в которой диэлектрическая проницаемость будет изменяться при вращении электрического поля в определенных направлениях.В этом случае компоненты вектора плотности электрического потока необходимо оценивать отдельно через тензор диэлектрической проницаемости. Соотношение может быть выражено в форме: Изотропная и анизотропная среды

Диэлектрическая проницаемость материалов • Типичная диэлектрическая проницаемость для различных твердых тел и жидкостей. • Тефлон — 2 • Пластмассы — 3-6 • Керамика 8-10 • Титанаты> 100 • Ацетон 21 • Вода 78 • Фактическая диэлектрическая «постоянная» зависит от: • температуры • направления • напряженности поля • частоты • реальных и мнимых компонентов

Вариация с частотой • Поляризация заряда из-за: • Ионной (низкая частота) • Ориентации (средняя, микроволновая) • Атомной (ИК) • Электронной (видимой, УФ) • Диэлектрической релаксации • При увеличении частоты молекула не может более длинная «дорожка».• Реальная диэлектрическая проницаемость уменьшается и мнимые пики диэлектрической проницаемости • В среднем и микроволновом диапазоне • Вращение, переориентация и т.д. >> • Моделирование: • Диаграммы диэлектрической проницаемости и импеданса. • Статистические функции релаксации (Дебай, Коул Дэвидсон).

Применение для полимерных композитов • Диэлектрическая проницаемость эпоксидной смолы 10 Гц -10 МГц • Вращение полярных групп в эпоксидной смоле. • Низкочастотный диапазон 10 Гц — 10 МГц. • Переход между диэлектрической проницаемостью и потерей на частоте 1 МГц при –4 ° C.• Частота переходов увеличивается с повышением температуры. www.msi-sensing.com

Диэлектрическая проницаемость эпоксидной смолы 1 МГц -1 ГГц • Авиакосмическая смола Hexcel 8552. • Высокочастотный диапазон 1 МГц — 1 ГГц. • Постоянная температуры 125 ° C, переход уменьшается по мере отверждения. • Метод измерения TDR. www.msi-sensing.com

Диэлектрическая проницаемость эпоксидной смолы во время полного цикла отверждения www.msi-sensing.com

Применение для гидратации цемента • Электропроводность цемента — вариация в зависимости от отверждения • Мнимый аналог реальной диэлектрическая проницаемость ( »).• Умножьте на , чтобы удалить степенной закон (o ’). • Снижение ионной проводимости, рост промежуточного элемента с отверждением • Частота промежуточного элемента не соответствует диэлектрической проницаемости www.msi-sensing.com

Модель диэлектрической релаксации цементного раствора Требования: • Обеспечение свободной релаксации, два промежуточных элемента -частотная релаксация • Обеспечить проводимость и поляризацию электродов Дебая бесплатно и в среде. Коул-Дэвидсон для низкого. (литература, биосистемы) Комбинированные 9 переменных подходят для всего диапазона, реальные и мнимые, двухэтапная подгонка, f = 8.2 шт. Www.msi-sensing.com

Отверждение цемента — Модель Фитинг • Соответствует диэлектрической проницаемости — как с низкой, так и со свободной релаксацией. • Подходит для проводимости — как средней, так и свободной релаксации. • Подходит для поляризации диэлектрической проницаемости. • Соответствует базовому уровню проводимости. www.msi-sensing.com

Другие области применения • Другие области применения • Био • Жидкие кристаллы • Композитные полимеры • Титанаты • Беспроводное определение характеристик • Красители для МРТ • Мониторинг грунтовых вод • Определение характеристик бурового раствора (GPR)

Поскольку E является консервативным, мы устанавливаем линейный интеграл, охватывающий оба диэлектрика: левая и правая стороны отменяются, поэтому ведение к непрерывности для тангенциального E Граничное условие для тангенциального электрического поля E и разрыв для тангенциального DE то же самое, D выше для материала с высокой диэлектрической проницаемостью

n Применить закон Гаусса к цилиндрическому объему, охватывающему оба диэлектрика. Поток входит и выходит только через верхнюю и нижнюю поверхности, ноль на сторонах Граничное условие для нормального смещения D, ведущее к непрерывности для нормального D (для ρS = 0) И разрыв для нормального ЭД такая же.E ниже в материале с высокой диэлектрической проницаемостью

Изгиб D на границе • Граничные условия • DN непрерывный • Тригонометрия • Устранение DN высокий низкий

Пример • Тефлон εr = 2,1 • Смещение и поляризация снаружи • Смещение и Поляризация внутри • На границе D непрерывна, поэтому внутри

Пример (продолжение) • Поляризация вверх, поле E вниз, D сохраняет непрерывность

Пример

Тест 2 — Задача 4.21

Гениальный Ричард Сайкалли говорит нам, почему вода мокрая

В своей обычной рабочей одежде — джинсах и гавайской рубашке — Ричард Сайкалли в четырех словах отвечает на вопрос, который я часто задавал в душе: почему вода мокрая?

«Сильная тетраэдрическая водородная связь», — сказал он. Ответ не обеспечил мгновенного освещения, на которое я надеялся, но с водой все не так просто. Исследовательская группа Сайкалли в Калифорнийском университете в Беркли (где он является профессором химии) изучает воду с помощью экзотического списка устройств, включая кольцевые спектроскопы с резонатором, терагерцовые лазеры и сверхзвуковые лучи.

Его цель — разработать «универсальное силовое поле воды», компьютерную модель воды, которая могла бы предсказывать поведение воды в любых обстоятельствах, вплоть до атомного масштаба. Это стремление произвело на меня должное впечатление, но не особенно испугало: Сайкалли убедился в этом, предложив несколько раз сыграть мне частушку на своей губной гармошке.

Видео воспроизводится в верхней части экрана.

Просмотр видео Также в химии
Рассвет жизни в тостере
Джонни Бонтемпс
С таким же успехом Бог мог начать с тостера.Несколько лет назад на распродаже во дворе Николас Хад нашел хорошего кандидата: винтажную модель General Electric, хромированную с деревянными панелями, укрытую в старом пожелтевшем ящике … ПОДРОБНЕЕ
Стенограмма интервью
Почему вода мокрая?
Когда мои дочери были совсем маленькими, у нас было интересное открытие на эту тему. На самом деле я мыла обеих своих дочерей, когда они были очень маленькими, и моя младшая дочь сказала: «Папа? Почему вода мокрая? » И правильный ответ: сильная тетраэдрическая водородная связь, которую они потом рассказывали своим учителям в течение многих лет, всякий раз, когда возникала тема воды, они говорили: «Сильная тетраэдрическая водородная связь!» Но это правильный ответ.Вот что делает воду влажной.
Как выглядит водный кластер?
Кластер воды — это комбинация двух или более молекул воды. Поэтому они принимают различные структуры. Две молекулы воды на самом деле не имеют особой формы; три молекулы воды составляют трехчленное кольцо; четыре образуют квадратное кольцо; пять составляют пятиугольник; а когда вы дойдете до шести молекул воды, морфология изменится с плоской циклической на трехмерную клетку; и после этого семь, восемь, девять и так далее выглядят как трехмерные клетки.Водная восьмерка — восьмеричное скопление — выглядит как искаженный куб, а затем все более крупные скопления строятся на этой кубической форме. Это наиболее стабильные формы, которые можно найти при температуре, очень близкой к абсолютному нулю.
Возможна ли другая форма жидкой воды?
В настоящее время это самая обсуждаемая тема о воде. В течение некоторого времени постулировалось, что в сильно переохлажденной области воды, то есть когда вода охлаждается ниже точки замерзания, могут существовать два разных типа жидкости.Обычную жидкую воду мы бы назвали формой с низкой плотностью, и предполагается, что существует форма воды с высокой плотностью и что существует фазовый переход между этими двумя типами в сверххолодной области. И эти дебаты возникали несколько раз, но сейчас они ожесточенно обсуждаются. На самом деле, один из моих коллег по этому отделу — очень известный химик-теоретик — и его бывший ученик находятся в авангарде этого вопроса, и это еще не решено.
Почему вода теряет плотность, превращаясь в лед?
Когда вода замерзает и превращается в обычный лед, который заставляет кубики льда плавать в наших хайболах, это происходит при температуре, которую мы бы назвали ноль градусов по Цельсию, при атмосферном давлении.Когда вода замерзает и превращается в лед, образуется очень открытая структура. Эта форма льда состоит из массивов шестичленных колец, которые уложены друг на друга, образуя каналы, и большая часть этого льда на самом деле представляет собой пустое пространство. Когда вы растапливаете лед, чтобы получить жидкую воду, вы разрываете около 10 процентов водородных связей во льду, и он становится намного более неупорядоченным и компактным, поэтому жидкость, будучи более неупорядоченной, плотнее льда. Когда лед замерзает, сеть становится очень открытой, и ее плотность падает примерно на 10 процентов.Но это верно только для знакомой формы льда, которую мы называем ice 1 _h, что означает шестиугольник. На самом деле существует 16 кристаллических форм льда. Все остальные формы на самом деле более плотные, чем жидкая вода. Только одна из 16 форм на самом деле меньше.
Почему существует 17 различных видов льда?
Только привычная форма льда, которую мы называем ледяной, менее плотная, чем жидкость. Все остальные формы более плотные, чем жидкость, и образуются при высоких давлениях. Когда вы сжимаете решетку льда 1 _х, вы заставляете ее принимать более компактные формы.Как я уже сказал, кристаллическая структура льда 1 _h имеет много пустого пространства, поэтому, когда вы надавливаете на нее, применяя высокое давление, вы заставляете ее превращаться в более компактные структуры; ну, вы заполните это пустое место больше. И чем сильнее вы сжимаете, вы формируете все более и более компактные и плотные структуры, пока не достигнете того, что мы называем пределом плотной упаковки, который на самом деле еще не достигнут. По мере развития технологий, позволяющих применять все более и более высокие давления, вы можете разрушать лед до более плотных и плотных форм.Так что я не думаю, что мы закончили. Существует 16 кристаллических форм, и по мере развития технологий мы, вероятно, сможем создать еще шесть или восемь. В дополнение к 16 кристаллическим формам льда, существуют также аморфные или стекловидные формы льда, которые по определению неупорядочены, и существует целое их семейство. Раньше считалось, что существует два типа аморфного льда, но теперь мы понимаем, что на самом деле их много, разной плотности.
Чем поверхность воды отличается от воды в объеме?
На поверхности воды существует другое расположение водородных связей.В объемной воде каждая молекула воды образует приблизительно четыре водородные связи с другими молекулами воды под тетраэдрическими углами; не идеальный, как в случае с льдом 1 _ч. Итак, это неупорядоченная тетраэдрическая сеть. Но на поверхности, когда молекулы воды обрывают основную массу, водородных связей обязательно меньше. Таким образом, среднее количество водородных связей для молекул воды на поверхности, возможно, составляет две с половиной или что-то в этом роде. Таким образом, на поверхности воды есть оборванные связи O-H (кислород-водород), и это заставляет поверхностный слой вести себя иначе, чем объем.Итак, у вас есть самый внешний слой плотности жидкости, как мы бы его назвали, определяющий поверхность, а затем вы становитесь более упорядоченным по мере того, как вы переходите от этого самого внешнего слоя плотности жидкости в истинную массу. Таким образом, поверхностный слой имеет меньше водородных связей; он более подвижен и имеет другие склеивающие свойства.
Почему ведутся жаркие споры о том, что ионы делают на поверхности воды?
Это была одна из самых спорных тем, связанных с водой, на протяжении десятилетий, потому что поведение ионов на поверхности воды имеет глубокие последствия для биологии и других областей науки; так что это важный предмет в практическом смысле.Поведение ионов в воде классически описывалось с помощью того, что мы назвали бы теорией диэлектрического континуума, и до недавнего времени это было в большинстве учебников по воде, и это говорит о том, что на поверхности воды не должно быть ионов. Но нам нужно быть более конкретными; назовем это поверхностью раздела воздух-вода или поверхностью раздела воды с гидрофобными доменами белков. В таких случаях на этих границах раздела вообще не должно быть ионов из-за явления, называемого отталкиванием заряда изображения, которое возникает в этой теории диэлектрического континуума.
Но эта теория устарела, и за годы накопились эксперименты, которые ясно продемонстрировали, что некоторые ионы предпочитают находиться на поверхности, а не в объеме. Моя группа установила ряд различных ионов в качестве случаев, когда это соблюдается. Эти ионы предпочитают поверхность, и мы численно проверили энергии и силы, с которыми они притягиваются к поверхности. Это противоречит описанию в учебнике ионов на поверхности воды.
Почему так трудно измерить скорость испарения воды?
Это было очень трудно измерить на протяжении многих лет, потому что это поверхностное явление, очень подверженное проблемам загрязнения; и, пожалуй, самое главное, испарение воды — очень редкое явление.Если вы представляете собой молекулу воды в стакане с водой или даже на поверхности воды в стакане с водой, вероятность того, что вы испаряетесь, очень мала. Это очень редкое событие, когда молекула воды покидает поверхность, и поэтому очень сложно смоделировать это явление с помощью компьютерного моделирования. И эксперименты очень проблематичны, потому что загрязнение поверхности — очень большая проблема.
И другая проблема заключается в том, что большинство экспериментов, которые рассматривали, наблюдают одновременное испарение и конденсацию, потому что в этих экспериментах есть слой водяного пара и контакт с жидкой водой, и поэтому вы получаете конденсацию пара в жидкость. в то же время жидкость испаряется в газовую фазу, и разделить эти два процесса очень сложно.Моя группа попыталась разделить эти процессы, использовала технологию микроструйной обработки жидкости, при которой мы создавали микроструи воды диаметром примерно 10 микрон в вакуумной системе, а затем мы могли создать условия, чтобы смотреть на испарение. без конденсации, затемняющей наши результаты.
Итак, это наши недавние эксперименты, и наши результаты достаточно хорошо согласуются с теоретическими расчетами, которые были выполнены группой Дэвида Чендлера, где они смогли преодолеть это ограничение на возможность моделирования очень редких событий благодаря этой красивой методологии редких событий, которая Группа Чандлера разработала так называемую выборку переходного пути.В этой методологии они могут непосредственно наблюдать детали того, как молекула воды испаряется, хотя это очень редкое событие, и они показывают в своей недавней статье, что молекула воды испаряется с поверхности, когда она сталкивается с другой молекулой жидкости в таким способом [чтобы] дать ему достаточно кинетической энергии, чтобы избежать поверхностного натяжения, назовем его поверхности, и это происходит там, где на поверхности есть капиллярная волна, как мы ее называем. Произойдет аномально большое колебание топологии поверхности.Это похоже на то, как волна отрывается от жидкости, и когда эта волна отрывается, она натягивает водородные связи в молекуле поверхностной воды и ослабляет ее настолько, чтобы молекула могла ускользнуть.
Что вы думаете о нынешней засухе в Калифорнии?
Что ж, думаю, к этому нужно отнестись очень серьезно. На самом деле за последний месяц я потратил довольно много времени на размышления об этом и на то, чтобы узнать о ситуации с засухой и о том, как можно реализовать некоторые технологии, которые предлагаются для ее смягчения.Итак, во-первых, вокруг циркулирует много дезинформации. Мы слышим, что это самая страшная засуха в истории Калифорнии. Мы должны это квалифицировать. В письменной истории с момента формирования правительства Калифорнии, вероятно, это правда. Но в естественной истории Калифорнии мы знаем, что были очень-очень сильные засухи. Посмотрим, сколько лет назад это было … Столетия назад есть свидетельства из годичных колец деревьев, которые недавно были изучены экспертами по ископаемым, которые показывают, что на самом деле были 150-летние засухи не так давно в естественной истории Калифорнии — скажем, 500 лет или что-то в этом роде назад.Я забыл точные даты. Но было зарегистрировано гораздо более сильные засухи, чем то, что мы переживаем сейчас. Вполне возможно, что это может обернуться 50-летней засухой или 100-летней засухой, которая будет иметь разрушительные последствия, если у нас нет надежных источников воды, не зависящих от осадков.
Итак, опреснение кажется самым разумным способом действий для прибрежных районов, таких как Калифорния, где у нас совсем рядом находится океан. Если мы сможем придумать, как дешево опреснить океанскую воду и сделать это таким образом, чтобы не добавлять много углекислого газа в нашу атмосферу, это было бы очень большим шагом вперед для долгосрочного благополучия Калифорнии.На самом деле я только что приехал, проведя 10 дней в Сан-Диего, где в Карлсбаде, к северу от Сан-Диего, близится к завершению самый крупный проект по опреснению воды в западном полушарии. Через пару месяцев планируется ввести в эксплуатацию опреснительную установку стоимостью 1 миллиард долларов, и я очень заинтересовался физикой и химией этих опреснительных установок. И прямо сейчас опреснение очень дорогое и требует больших затрат энергии, и на самом деле это не будет экологически приемлемым способом производства пресной воды, если мы не сможем сделать его намного более эффективным и менее загрязняющим.
Некоторые мои коллеги и я составили короткое предложение во время моего пребывания в Сан-Диего под названием «На пути к экологичности, эффективному опреснению». Технология, о которой люди думают прямо сейчас, использует то, что мы называем углеродными нанотрубками, как способ отфильтровать соль из морской воды. Возможно, что это можно сделать с гораздо меньшими затратами энергии, потому что сопротивление проталкиванию воды через эти трубки может быть намного ниже, чем при существующих технологиях, но это должно быть установлено с помощью фундаментальной лабораторной науки, которую я предлагаю сделать, и другие люди Предлагаю сделать.Нам необходимо изучить поведение ионов на границе раздела воды, нашего предыдущего предмета, с этими углеродными мембранами, и возможно, что природа этой границы такова, что при правильной геометрии вода может течь через трубки из чистого углерода с очень низкой сопротивление, так что вы можете использовать гораздо более низкое давление, чтобы протолкнуть морскую воду через опреснительные мембраны. Это очень захватывающая перспектива. И тогда это значительно снизит потребление энергии.
И затем есть способы подумать о том, как изолировать углекислый газ, образованный, скажем, сжиганием природного газа в качестве средства производства электроэнергии, чтобы изолировать углекислый газ, образующийся при этом сгорании, в глубоких водоносных горизонтах с очень соленой водой, которая является продукт опреснения.Вы получаете очень концентрированные рассолы, которые затрудняют утилизацию. Так что, если бы можно было использовать эти рассолы для хранения углекислого газа, это тоже было бы большим достижением. Люди думают обо всех этих направлениях; и в то же время, мы надеемся, что Калифорния не вступит в 100-летнюю засуху!
Что такое димер воды и почему он важен для понимания нашей атмосферы?
Димер воды — это кластер из двух молекул воды, в котором одна молекула воды отдает водородную связь другой.Это очень важно с теоретической точки зрения, потому что это прототип водородной связи. В практическом смысле было много дискуссий о потенциальной роли этого димера воды в атмосфере. В атмосфере происходят некоторые важные реакции — например, образование кислотных дождей — которые протекали бы намного быстрее, если бы в атмосфере действительно присутствовали димеры воды. Например, реакция триоксида серы SO ₃ с молекулой воды с образованием серной кислоты и последующий кислотный дождь потребует столкновения трех молекул газа.Но если вместо этого молекула SO ₃ может столкнуться с димером воды, это значительно ускорит реакции и последующее образование кислотного дождя.
А также, с точки зрения поглощения солнечного света, димер воды поглощает в другой части электромагнитного спектра, чем просто мономер воды, отдельная молекула воды, и потенциально может играть важную роль в глобальном потеплении. Таким образом, было очень интересно выяснить: существуют ли заметные концентрации димеров воды в атмосфере, и если да, то где они, скорее всего, будут расположены? Ответ, по-видимому, заключается в том, что димеры воды могут эффективно образовываться при высокой относительной влажности, а это происходит в районах экватора.Таким образом, похоже, что по мере того, как влажный воздух из тропиков вокруг экватора поднимается, димеры воды могут довольно эффективно образовываться в атмосфере, и могут ли они затем транспортироваться в другие области атмосферы — это текущий вопрос.
То, что вода необходима для жизни на Земле, просто совпадение?
Нет, в воде есть что-то особенное в том, что сильная тетраэдрическая сеть водородных связей, которую создает вода, является очень гибкой средой для протекания химических процессов.Он обладает правильными свойствами растворять многие ионы; он обладает необходимыми свойствами, заставляющими то, что мы называем гидрофобными материалами, складываться особым образом; и было бы трудно разработать жидкость, которая была бы настолько универсальной, что могла бы принимать так много различных конфигураций в жидкости и так далее. Это действительно особенное.
Что нам рассказала вода о водородной связи?
Природа самой водородной связи активно обсуждалась на протяжении десятилетий. Первоначально считалось, что водородная связь является проявлением того, что мы называем дипольным моментом молекул воды — что у каждой молекулы воды есть положительный конец и отрицательный конец, а водородная связь возникает, когда эти два диполя взаимодействуют привлекательным образом.Но по мере развития эксперимента и теории это привело к более сложному описанию, основанному на квантовой теории, и теперь мы знаем, что действительно основным источником притяжения между двумя молекулами воды, составляющего ее водородную связь, является это диполь-дипольное взаимодействие. называется, но есть и другие. Также существует так называемая индукция, когда этот диполь одной молекулы воды искажает электронное облако другой молекулы, и это добавляет к нему некоторое притяжение. Существует также нечто, называемое дисперсией, которая представляет собой строго квантово-механический эффект, при котором электронные облака двух молекул взаимодействуют привлекательным образом.И затем четвертый компонент — отталкивание: когда вы приближаете любые два объекта, любые две молекулы или атомы достаточно близко друг к другу, их электронные облака начинают перекрываться, и это становится очень отталкивающим, и это ограничивает то, насколько близко вы можете сблизить две молекулы воды. . Итак, теперь мы понимаем, что водородная связь на самом деле представляет собой сумму тех четырех различных взаимодействий, которые мы называем электростатикой, индукцией, дисперсией и отталкиванием.
Почему вы изобрели новый лазер для исследования воды?
Две молекулы воды будут колебаться относительно друг друга за счет растягивающего или изгибающего движения водородной связи, и эти частоты возникают в дальней инфракрасной области спектра — или, как ее еще называют, терагерцовой области.Это та же область спектра. Таким образом, самый непосредственный способ проверить водородную связь — это посмотреть на растягивающие и изгибные колебания самой водородной связи, которые происходят в дальней инфракрасной или терагерцовой области спектра. Поэтому мы разработали технологию, основанную на лазерах в дальнем инфракрасном диапазоне, чтобы иметь возможность наблюдать и измерять эти движения в молекулах воды, и именно это привело к нашим многочисленным исследованиям кластеров воды.
Что такое «универсальное силовое поле воды»?
Это то, что я вам говорил, является конечным объектом наших исследований по изучению кластеров воды, как теоретически из наших экспериментов, так и с помощью квантовой химии; [это] для создания идеальной модели воды.Мы хотим объединить всю информацию, доступную из исследований кластеров воды с нашей терагерцовой лазерной спектроскопией, из квантово-химических расчетов и из измерений конденсированной фазы — мы хотим собрать всю эту информацию вместе и создать компьютерную модель воды, которая ответит на любой вопрос ты спрашиваешь. На любой вопрос, на который в принципе можно ответить, можно было бы ответить с помощью компьютерного расчета, если бы у вас была идеальная модель воды. И эта идеальная модель воды — это то, что мы называем универсальной моделью воды из первых принципов.
Какие прогнозы вы могли бы сделать с помощью универсальной модели воды?
Если бы у нас была идеальная модель воды и у нас было бы много компьютерного времени, мы могли бы провести моделирование, которое проверило бы эту идею: «Существуют ли два вида жидкой воды, связанные фазовым переходом первого рода». Такие вещи можно было сделать. Мы могли бы проводить компьютерные расчеты поверхности воды и точно определять, как выглядит поверхность и как она изменяется, например, когда мы приводим поверхность воды в контакт с гидрофобным доменом белка.Любой вопрос о воде, который в принципе может быть решен, может быть решен с помощью компьютерных расчетов с использованием идеальной модели воды.
Причина, по которой мы не можем сделать это сейчас, заключается в том, что, как я уже сказал, существует 100 или более моделей — компьютерных моделей для воды — и все они хорошо справляются с некоторыми задачами. Ни один из них не делает все хорошо, и, в частности, эти модели были разработаны для воды комнатной температуры или в узком температурном диапазоне, поэтому, когда вы берете эти компьютерные модели для воды, созданной при комнатной температуре, и применяете их в области сверхохлаждения для изучения, «Есть ли два вида жидкостей в области переохлаждения», первое, что приходит в голову, это то, что эта модель воды не способна давать надежные результаты в этом диапазоне очень низких температур.Он не создавался с учетом этого. Итак, если бы у нас была универсальная модель основных принципов, она работала бы при всех температурах, всех давлениях и т. Д.
Что такого в воде, что делает ее созревшей для псевдонаучных спекуляций?
Что ж, поскольку мы живем на водной планете, а вода является неотъемлемой частью повседневной жизни каждого человека, с самого начала было признано, что вода необходима и обладает этими необычными свойствами. Итак, если вы вернетесь к грекам, греческая формулировка химии заключалась в том, что есть четыре элемента: земля, воздух, огонь и вода, верно? На самом деле существовало несколько конкурирующих философий.Только в последнее время в науке мы действительно проводим тщательные измерения того, что считаем правильным. Современная наука работает на основе того, что вы делаете предсказание на основе своей теории или законов химии и физики и проверяете это на эксперименте. Это было не так, и поэтому все эти псевдонауки развивались на основе этой ранней идеи о том, что вода является столь важным элементом. Итак, гомеопатия возникла из такого мышления.
Даже в современном контексте один из интересных споров заключается в том, есть ли что-то уникальное в так называемой структурированной воде? Есть компании, которые продают структурированную воду в бутылках и заявляют, что структурированная вода каким-то образом более эффективно проникает в стенки ваших клеток и имеет все виды преимуществ для здоровья и все такое.Для этого нет никакой научной основы. Вы не можете сделать структурированную воду. Это не имеет никакого смысла, потому что водородная связь в воде живет в течение нескольких пикосекунд — 10 ^-12 секунд — и эти структуры водородных связей воды перестраиваются очень быстро, так что у вас нет водных кластеров, существующих в воде как изолированные объекты. несмотря на множество этих заявлений. Но все же вы можете пойти в магазин и найти воду в бутылках, которая должна обладать этими волшебными структурными свойствами и так далее.
Кто вас вдохновляет?
Ну, моим личным героем в науке был Чарльз Таунс.Чарльз Таунс недавно скончался и был очень известным физиком здесь, в Калифорнийском университете. Беркли. Чарльз Таунс был одним из изобретателей лазера, получившим Нобелевскую премию в 1950 году … Я забыл даты, но он получил Нобелевскую премию за изобретение лазера. Он открыл первые молекулы в космосе, а совсем недавно, в сотрудничестве со своим доктором Рейнхардом Гензелем, создал первую характеристику черной дыры — подробную характеристику черной дыры, которая существует в центре нашей галактики — он просто фантастический ученый. .И одной из самых захватывающих вещей для меня, когда я приехал в Беркли, что я сделал в 1979 году, была возможность общаться с Чарльзом Таунсом, который был моим героем с тех пор, как я поступил в аспирантуру. Одна из первых вещей, которые произошли со мной, когда я присоединился к исследовательской группе (Роберта) Клода Вудса в университете Висконсина в аспирантуре, — это то, что он вручил мне книгу Чарльза Таунса под названием Microwave Spectroscopy , и он говорит: «Прочтите это, это Библия». Итак, Чарльз Таунс всегда был моим великим героем, и я думаю, что у меня большой выбор героев.
Кем бы вы были, если бы не были ученым?
Если бы я не был ученым? Что ж, история такова, что я вырос на самом севере Висконсина в городе с населением около 100 человек; и если вы выросли в Висконсине, вы обязательно являетесь большим поклонником футбольной команды Green Bay Packers. Итак, в ранние годы я стремился стать футболистом Green Bay Packer, и я разрывался между номером 66, Рэем Нитшке, который является средним полузащитником и считается самым жестким полузащитником в футболе; или под номером 31, Джим Тейлор, известный защитник «Грин Бэй Пэкерс».Я хотел быть упаковщиком Грин Бэй, но печальная новость заключается в том, что Бог не очень хорошо помогал в этом. Когда я учился в старшей школе, я хотел стать рок-звездой и всю жизнь играл в рок-группах. Так что, если бы я не был ученым, ммм … О, еще одна вещь, которая произошла, когда я был студентом, я, благодаря удачному розыгрышу, стал специализироваться на химии и мне очень нравился вводный курс или химия на первом курсе, но затем пришла органическая химия и после полутора лет изучения органической химии я стал изучать английский язык.