Нееднородни електрични полета - от Herbert A Pohl

Когато парче желязо скочи към магнит, това отговаря на нееднородно поле. При приближаването към полюса то се движи към посока на увеличаваща се магнитна сила. Поставено в еднородно поле, без значение колко силно, то не би трябвало да се движи изобщо. Много по-малко познат е един аналогичен ефект на нееднородните електрични полета. Те също могат да приведат материята в движение.

Поведението на нееднородните полета може най-добре да бъде разбрано като първо разгледаме еднородното поле, например такова поле има между двойка плоски, паралелни метални плочи, които са противоположно заредени. Заредено тяло пуснато свободно между плочите – например, в непроводима течност – ще се движи успоредно/паралелно към полето, към плочата  с противоположен заряд. Неутрално тяло, от друга страна, няма да бъде придърпано към нито една от посоките; ще си стои така както го оставим.

Дори и да изглежда, че игнорира полето, неутралното тяло не е напълно неповлияно. То всъщност събира негативен заряд от страната, която е изложена на позитивния електрод и позитивен заряд от страната изложена към негативния електрод.

Причината за тази поляризация, както ще я наречем, е че атомите съставляващи неутралното тяло са направени от отделни електрични заряди – позитивно ядро и негативни електрони. Под влиянието на външно поле, електроните и ядрата се придърпват в противоположни посоки, така че центърът на негативния заряд вече не съвпада е центъра на позитивния заряд. Количеството на разделение продуцирано от дадена електрическа сила (‘поляризуемостта’) варира в широк обхват при различните материали, но всички са повлияни в по-голяма или по-малка степен.

Нетния ефект е едно превишение на позитивния заряд в едната половина на тялото и едно равно по сила превишение на негативния заряд от другата част. Следователно двете страни на цялото тяло се придърпват в противоположни посоки от полето. Тъй като зарядите са равни и полето е еднакво от двете страни, противоположните сили взаимно се неутрализират.

Ако например полето се направи да е по-силно от едната страна отколкото от другата, силите вече няма да са в баланс, и тялото ще се придърпа към по-силното поле. Ефекта може да бъде демонстриран с електроди с формата на двойка концентрични цилиндри (виж фиг. 1). При движение от по-големия към по-малкия електрод линиите на електрическите сили се приближават една към друга (съсредоточават се в една точка).  Това означава, че полето става по-силно от вън навътре. Което и да е незаредено тяло поставено в пространството между тях ще се движи към вътрешния електрод.

Обърнете внимание, че тялото се движи по еднакъв начин без значение, кой електрод е позитивен и кой негативен! Поляритета на полето няма значение; единственото нещо, което има значение с силата му. Следователно променлив ток приложен към електродите продуцира същия резултат както прекия ток. Това е така защото поляризацията индуцирана в тялото се променя с полето. Всяка половина е винаги противоположно заредена към електрода, на който е изложена, и придърпването на вътрешния електрод е винаги по-силно отколкото на външния.

Движението на електрически поляризираната материя в нееднородни полета се нарича диелектрофорезис (привличане към по-силната част на електрическия поток). В сравнение с движението на заредените частици (електрофорезис – привличане към противоположно поляризирания електрод), това е слаб ефект, и затова дълго време е бил пропускан.

 


Когато централния електрод е много тънък, полето около него незабавно приема много големи величини. Молекулите на поддържаща течност не могат да издържат на електрическия стрес; разрушават се и стават заредени. В действителност концентрираният заряд върху жицата е разпределен над много по-голям регион нещо от сорта на изпразване на корона. Частиците навлизащи в региона придобиват заряд и се отблъскват от електрода вместо да се привличат от него. Подобно нещо се случва ако приложения волтаж е много висок. Следователно съществува един критичен минимум за диаметъра на електрода и критичен максимум за волтажа.

На фиг. 3 е показана рисунка на действието на подходящо поставен, островърх електрод със силно различаващо се поле. Полето очевидно отблъсква течността отдолу. В действителност, това е вторичен признак за манифестиране на ефекта на полето върху въздуха около електрода. Въздушните молекули се привличат до точката чрез диелектрофоретичното действие, след това се зареждат при електрода и се отблъскват силно. Налягането на ‘електрическия вятър’ натиска надолу течността. Чрез лека промяна в условията, и чрез нагласяне на височината на жицата, или използването на затворена ел. верига (wire loop) вместо една точка, течността може да бъде накарана да се издигне до жицата вместо да се отблъсне от нея.

На фиг. 4 е показана рисунка на подходящо подредени електроди привличащи течността [CCL4, benzene, и т.н.]. Този частен ефект има много различен характер. Различните подреждания на електродите ще накарат течността да се движи бавно или бурно при един и същ приложен волтаж. Чрез използването на заострен централно електрод минаващ през течността, движенето може да бъде направено така, че да изпомпва течността.

На фиг. 5 и 6 са показани рисунки на няколко подредби, при които течността е принудена да напусне главното тяло при големи скорости.

 

Фиг. 5 показва как капките напускат съда и ‘увисват’ във въздуха около електрода. Понякога отделната капка ще остане във въздуха или обикаляща около жицата за около 15-тина секунди. Би изглеждало, че повечето от тези капки са станали заредени, тъй като ефекта е комбинация от диелектро и електрофорезис. Приложения волтаж в този експеримент е бил  11,000 волта DC.

 

В друг експеримент, показан на диаграмата във Фиг. 6, където течността CCL4 е била изхвърлена във въздуха с около 50 cc/sec, приложения волтаж отдолу е бил от малък Ван Де Грааф генератор. Волтажа е бил приблизително 200,000 волта (негативен) по тънък електрод-жица. Входящата електрическа мощност е била 20 ľA следователно около 4W. Енергията, която е била изразходвана в издигането на течността до определена височина е около един джаул/сек, което показва, че електромеханичната ‘помп’ е между 20 и 25% ефективна.

 

От: Журнал за приложна физика 22, 869-871(1951); 29, 1182-1188 (1958): Scientific American (Дек 1960) 108-116: Journal Electrochemical Soc. 107,390 (1960).