Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Вот история, описанная в одном физическом журнале за 1953 год. Некий профессор ехал на своей машине с небольшой скоростью, а двое его друзей в другой машине пристроились сбоку и ехали с той же скоростью. Друг, сидящий во второй машине на пассажирском месте, на ходу протянул руку с пачкой жевательной резинки профессору. Когда расстояние между их руками уменьшилось до нескольких сантиметров, между ними произошел «разряд чудовищной силы», на мгновение вырубив обоих. К счастью, профессор не врезался во вторую машину за то время, что не контролировал себя и свой автомобиль.

Искра проскочила потому, что при движении автомобилей профессор и его друг приобрели разное количество зарядов, возможно, даже заряды разноименных знаков. Когда их руки сблизились, электроны с одной руки начали через воздух перескакивать на другую, стремясь уменьшить разницу в количестве зарядов.

Этот трюк опасен, не советую его повторять.

Почему так опасна электростатическая искра в среде, где в воздухе распылен порошок, например на угольной шахте или на мукомольной мельнице?

ОТВЕТ •Порошок в массе может быть совершенно негорючим, но когда он распылен в воздухе, каждую его частичку окружают со всех сторон молекулы воздуха. Горение — поверхностная реакция, а у мелкого порошка очень большая суммарная площадь поверхности. И если горение начинается в одной точке объема, в котором распылен порошок, тепловая энергия передается от одной частички порошка к другой так быстро, что пыль взрывается. Это значит, что большое количество энергии высвобождается неконтролируемым образом, при этом температура и давление в среде быстро повышаются. В силосной башне такой взрыв может разрушить всю постройку, а в угольной шахте — убить шахтеров. Несмотря на предосторожности, которые в настоящее время предпринимаются, такие взрывы все еще случаются.

В некоторых ситуациях взрыв может спровоцировать искра электрического разряда, если она имеет достаточную энергию. Такая искра может возникнуть в неисправных электрических приборах, но чаще — при разряде между двумя заряженными объектами, разряжающимися друг на друга, или же между заряженным объектом и землей.

Например, в 1970-х годах случился взрыв шоколадного порошка, когда его ссып а ли через пластиковую трубу в бункер. При пролете через систему пластиковых труб крупинки порошка терлись друг о друга и о стенки труб и от этого заряжались. Когда они вылетали из последней трубы в бункер, между частичками порошка и заземленной поверхностью бункера проскочила искра. Искра могла возникнуть на частичках порошка, находящихся в воздухе во время их падения на уже образовавшуюся раньше в бункере кучу порошка. По другой версии, искра могла возникнуть на вершине конической кучи, когда частички порошка соскальзывали с ее склонов. Электрическое поле имело наибольшее значение на вершине кучи и недалеко от нее, так что искрообразование, возникающее, когда сильное электрическое поле ионизует молекулы воздуха, скорее всего, могло начаться именно там.

В действительности в силосных башнях и бункерах искры, по-видимому, возникают часто, но у них обычно недостаточно энергии, чтобы поджечь мелкие частички. Взрыв происходит тогда, когда случайно энергия искры (или, возможно, комбинации нескольких почти одновременно образовавшихся искр) превысит некоторое минимальное необходимое для взрыва значение. Инженеры не могут полностью исключить образование статических зарядов и искр при производстве порошков, но стараются, чтобы энергия искр оставалась меньше той, при которой уже возможен взрыв.

Распыленный сухой порошок или жидкий спрей из баллона с аэрозолем может загасить открытый огонь, например пожар на кухне. Как же тогда аэрозольный баллончик сам может превратиться в «огнемет»? Никогда не распыляйте ничего вблизи открытого огня, иначе вы можете сжечь и себя, и дом. Причем некоторые баллончики со спреем брызгаются огнем даже вдали от открытого огня — почему?

ОТВЕТ •Частицы спрея могут быть горючими, а высокая скорость, с которой они вылетают из баллончика, может превратить их в огнемет. Если из баллончика распыляется сухой порошок, частички порошка и сам баллончик могут оказаться заряженными. Когда баллончик не соприкасается с чем-то проводящим, например с человеком, заряд может накапливаться до тех пор, пока не станет настолько большим, что между распыляемым порошком и баллончиком проскочит искра. Если мощность искры будет достаточной, порошок загорится. Однако если человек притронется к баллончику, что, вероятнее всего, и произойдет, б о льшая часть заряда с баллончика перейдет к человеку и оставшегося заряда не хватит для проскакивания искры. Размер человека больше, чем баллончика, электрическая емкость, соответственно, больше, а значит, при том же заряде потенциал — меньше. Для слона эта ситуация менее опасна, чем для зайца, поэтому зайцы не пользуются спреями.

Почему, если в обычной ванной комнате включить душ и закрыть дверь, внутри комнаты в воздухе может возникнуть электрическое поле? Почему электрическое поле образуется вблизи водопадов? Некоторое время назад емкости танкеров для перевозки нефти отмывались с помощью струи воды, подаваемой в шланг под давлением. Почему такой способ очищения танкеров иногда приводил к взрывам? Чтобы избежать взрывов внутри танкера, в них стали вдувать инертный газ (например, азот), вытесняющий кислород. Почему же, несмотря на это, танкеры все еще взрывались?

ОТВЕТ •Когда вода ударяется о твердую поверхность, например поддон в душе, образуется заряженный аэрозоль. Более крупные капли обычно становятся положительно заряженными (они теряют электроны или отрицательные ионы), а менее крупные — отрицательно заряженными (они их притягивают). Поскольку большие капли быстро падают вниз, в воздухе остаются распыленными только отрицательно заряженные маленькие капли. Если вентиляция в душе плохая, количество распыленных заряженных капелек в воздухе быстро возрастает, и они создают большое электрическое поле. Но такая ситуация не опасна ни в ванной комнате, ни рядом с водопадом.

А вот при мытье нефтяного танкера струя воды из шланга ударяется в пол и стенки, и образующиеся при этом капли заряжаются, заполняя танкер туманом, образованным заряженными водяными каплями. Между этими каплями, рассеянными в воздухе, и большим проводником, отверстием шланга или точкой заземления могут проскочить искры. Если в танкере остались пары нефти, искры могут поджечь их и спровоцировать взрыв.