Воздействие электростатического поля на пламя

ГБОУ  Школа № 000

«Воздействие электростатического поля на пламя»

Автор проекта :  Митюшин Станислав 10 «В».

Научный руководитель : ,

учитель физики ГБОУ «Школа № 000».

Москва, 2017

Оглавление :

Введение : актуальность, цель, задачи.

Понятие электростатического поля. Процесс горения. Исследование процесса горения в электростатическом поле разных источников. Причины прекращения горения. Макет установки для тушения огня.

Общий итог работы.

Список источников.

Актуальность проекта : Пожары всегда были «головной болью» человечества. Изучение воздействия электрического поля на пламя, в последствии, позволит создать совершенно новое, с точки зрения принципа работы, устройство для тушения огня.

Цель: Изучить влияние различных электростатических полей на процесс горения, создать действующую модель установки для тушения огня.

Задачи :

Выяснить, что такое электростатическое поле, и какими физическими величинами можно его характеризовать. Изучить процесс горения в электростатическом поле разных источников. Исследовать явление прекращения горения пламени в электростатическом поле. Выяснить, влияет ли величина напряженности поля на прекращение процесса горения, разработать способ оценки величины напряжённости электрического поля в воздухе. Создать макет установки для тушения огня электростатическим полем.

Понятие электростатического поля.

Любое заряженное тело создаёт вокруг себя электрическое поле. Оно оказывает силовое воздействие на другие заряженные тела. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела. У электрического поля есть силовая характеристика – напряженность электрического поля.

Напряженность электрического поля – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный заряд, помещенный в данную точку пространства,  к величине этого заряда. [1]

Зная величину напряжённости поля, можно определить, какая сила будет действовать в неё на любой электрический заряд. F=qE

Напряженность в однородном поле, например, плоского конденсатора, можно определить, зная разность потенциалов ( напряжение ) между  его обкладками и расстояние между ними, по формуле: 

Напряжённость поля шара или точечного заряда можно рассчитать по формуле:

=  ⋅

, где – электрическая постоянная, q – заряд, R – радиус шара.

Если электростатическое поле создают несколько источников, то результирующее поле можно определить по принципу суперпозиции – векторной суммой всех напряжённостей :

[2]

Процесс горения.

Горение занимает важное место в жизни человека. Овладев процессами горения и превратив их в один из мощных источников развития всех существующих цивилизаций, человечество столкнулось с негативной стороной собственных достижений, когда процессы горения возникали и развивались вопреки общественным потребностям. Они оказывались неуправляемыми и приносили людям огромные потери и несчастья. [4] Одна из задач моей исследовательской работы – создание макета установки, которая позволит бороться с пламенем, путем применения электричества.

Горение – это сложный физико-химический процесс, состоящий из химических реакций. Оно способно поддерживать само себя и происходит в условиях самоускорения.

Из химии нам известно, что  окислительно-восстановительные реакции сопровождаются переносом электронов с изменением окислительных чисел атомов. Атомы, молекулы или ионы, которые присоединяют электроны, являются окислителями, они восстанавливаются, а  отдающие их, окисляются.[4]

Исследование процесса горения в электростатическом поле разных источников.

Я провел ряд экспериментов с разными источниками электростатического поля, в ходе которых выяснилось, что пламя действительно гаснет в нем при определённых условиях.

Однородное поле плоского конденсатора.

Рисунок 1. Свеча в плоском конденсаторе. До включения (а) и после (б).

А.  Б.        

Рисунок 2. Поле плоского конденсатора.

Поле между двумя острыми электродами.

Рисунок 3. Свеча между двумя острыми электродами. До включения (а) и после (б).

       

А.  Б.

= 2 ⋅ ⋅

Рисунок 4. Поле между двумя острыми электродами.

Поле уединенного заряженного шара.

Рисунок 5. Свечка рядом с уединенным заряженным шаром. До включения (а) и после (б).

А.  Б.

=  ⋅

Рисунок 6. Поле уединенного заряженного шара.

Поле  двух заряженных шаров.

Рисунок 7. Свеча между двумя заряженными шарами. До включения (а) и после (б).

А.  Б.

=  ⋅

Рисунок 8. Поле двух заряженных шаров.

Поле цилиндра и стержня.

Рисунок 9. Свечка между цилиндром и стержнем.

Рисунок 10. Поле цилиндра и стержня.

Причины прекращения горения.

Пламя гаснет при появления ионного ветра.

Ионный ветер – это явление, при котором движение воздуха создается при помощи электростатического поля.

При повышении напряжения электростатического поля вблизи положительно заряженного электрода происходит ионизация воздуха. После этого появившиеся ионы стремятся к отрицательно заряженному электроду, захватывая с собой нейтральные частицы воздуха.

Именно это передвижение воздуха и является причиной затухания пламени.

Рисунок 11. Ионный ветер.

[3]

В ходе проведенных нами экспериментов мы выяснили, что процесс затухания зависит от напряженности электростатического поля. Ее величина должна быть примерно равна 265 .  Это видно из приведенных ниже таблиц.

Таблица № 1. Плоский конденсатор.

Расстояние между пластинами	Напряжение	Напряженность
9 см	26 кВ	289
7 см	21 кВ	300
5 см	15 кВ	300
4 см	11 кВ	275

Таблица № 2. Два острых электрода.

Расстояние между спицами	Напряжение	Напряженность
11 см	26 кВ	237
9 см	18 кВ	200
7 см	16.5 кВ	236
5 см	13.5 кВ	270
4 см	11 кВ	275

Таблица № 3. Два заряженных шара.

Расстояние между шарами	Напряжение	Напряженность
14 см	18 кВ	261
23 см	27 кВ	246
8 см	11 кВ	280
11 см	15 кВ	260

Макет установки для тушения огня.

Рисунок 12. Макет установки.

Таблица № 4. Установка.

Расположение	Радиус	Напряжение
Вертикальное	4 см	16 кВ
Горизонтальное	3 см	13 кВ

После проведения экспериментов, мне в голову пришла идея и создании макета устройства, с помощью которого можно тушить пламя.

В качестве основы был выбран цилиндр из металлической сетки с ячейками в 1мм2  и металлический стержень.

Принцип работы максимально прост. На стержень и цилиндр подается напряжение.  В  следствии появления ионного ветра – пламя сдувает.

Установка отлично справилась со своим заданием. Пламя затухало при относительно небольшом ( по сравнению с конденсатором, стержнями и шарами ) напряжении.

Разработанную схему устройства можно применять пря тушении пожаров в труднодоступных местах ( шахтах, туннелях ). Главная цель – не допустить возгорание проводов.

Провода располагаются вокруг стержня и обматываются сеткой. В случае возгорания оплетки – на стержень и сетку подается напряжение.

Общий итог работы :

Результаты :

Мы изучили электростатическое поле, его структуру и характеристики; Изучили механизм горения и возможные причины влияния поля на пламя; Наблюдали процесс горения в электростатическом поле разных источников; Исследовали явление прекращения горения пламени в электростатическом поле; Выяснили, что величина напряженности поля влияет на прекращение процесса горения, разработали способ оценки величины напряжённости электрического поля в воздухе; Разработали макет установки для тушения огня электростатическим полем.

Вывод : Мне удалось выяснить, что электростатическое поле способно при определенных условиях  тушить пламя и смоделировать эти условия.

Список источников:

Электрическое поле [Электронный ресурс] URL:http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph2/theory.html#.WLKwUTvyiUk , Физика 10-11 класс. Электродинамика. Москва, ДРОФА, 2007. Ионный ветер [Электронный ресурс] URL:http://virtuallab.by/publ/video_opyty/video_opyty/ionnyj_veter/1-1-0-140 Процессы горения и взрыва. Пожнаука, 2007.