Электронно-ионная технология Общие сведения Электронно-ионная технология ЭИТ

Электронно-ионная технология

Общие сведения Электронно-ионная технология (ЭИТ) - это область электротехнологии, в которой используют взаимодействие сильных электрических полей с электрически заряженными или заряжаемыми в них частицами твердого или жидкого вещества, придают им упорядоченное и целенаправленное движение для выполнения определенных технологических процессов.

Общие сведения В сельскохозяйственном производстве ЭИТ предназначена для очистки и сортирования семян, их дозирования и смешивания, осаждения пыли и микроорганизмов из воздуха, нанесения ядохимикатов на семена и растения, распыления лекарственных препаратов, электроокраски, предпосевной и предпосадочной обработки семян и растений, искусственной ионизации среды в сельскохозяйственных помещениях.

Общие сведения В основе процессов ЭИТ лежат четыре основных стадии: подача материала, его зарядка, движение заряженных частиц материала в электрическом поле, формирование готового продукта. При этом в электрическом поле возможно ориентирование частиц, их упорядочение, регулирование движения, разделение и осаждение в соответствии с приобретенным зарядом.

Электрическое поле В основе учения об электричестве лежит представление об электромагнитном поле. Термин «поле» в физике применяется для обозначения нескольких различных по своему содержанию понятий. Во-первых, словом «поле» характеризуют пространственное распределение какой-либо физической величины, векторной или скалярной. Во-вторых, полем называют особый вид материи. Понятие поля как особого вида материи возникло в связи с проблемой взаимодействия.

Электрические заряды Электрический заряд – неотъемлемое свойство, присущее некоторым «простейшим» частицам материи – так называемым «элементарным» частицам. Электрический заряд вместе с массой, энергией, спином и т. д. образуют «комплекс» фундаментальных свойств частиц. Из известных в настоящее время элементарных частиц электрическим зарядом обладают электроны, позитроны, протоны, антипротоны, некоторые мезоны и их античастицы. Не обладают электрическим зарядом нейтроны, нейтрино, нейтральные мезоны и их античастицы, а также фотоны.

Типы электрических зарядов Известны только два типа электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными

Заряд Этот минимальный электрический заряд (положительный или отрицательный) называется элементарным зарядом или атомом электричества. Любой заряд q состоит из целого числа элементарных зарядов: q = ± e. N, где e – абсолютная величина заряда; N – любое целое положительное число (1, 2, 3, …).

Силы, действующие на заряженные частицы в электрическом поле На частицу в электрическом поле действуют силы механические и электрической природы, а также соответствующие моменты. Механические силы - это силы трения, тяжести, центробежная, сопротивления среды и др.

Сила электрического поля Силы электрической природы - определяемые зарядом частицы зеркального отображения, вызванные неоднородностью электрического поля. Сила (Н), вызванная действием электрического поля на заряд частицы, FK = EQ

Сила зеркального отображения, связанная с взаимодействием внешнего заряда Q и индуцируемого в проводящей плоскости противоположного по знаку заряда - Q 3, по закону Кулона F= -Q 2/[4πε 0(2 h)2], где h - расстояние от заряда до проводящей плоскости, м.

Поле для сферической частицы Для сферической частицы с диаметром d, м, находящейся в воздушной среде, силу, Н, действующую в неоднородном электрическом поле, определяют по уточненному выражению Fn=(πε 0 d 3/2)[(εr– 1)/(εr+2)]E grad. E

Вращающийся момент Если большая ось вытянутой частицы, расположенной в электрическом поле, составляет некоторый угол β с направлением вектора напряженности Е, то силы, действующие со стороны поля на разноименные поляризационные заряды частицы, создают вращающийся момент, Н·м, Mз= ε 0 E 2 Vз. Ф(Кф, ε)sin 2γ/2, где V 3 - объем частицы, м 3; Ф - функция Кф и ε; Кф = [1 + (ε - 1)Ф 1]/ ε - диэлектрический коэффициент формы; Ф 1 - коэффициент деполяризации; γ - угол, дополняющий угол β до 90°.

Электрическое поле Существует две разновидности электрического поля: электростатическое, или безвихревое и вихревое, или соленоидальное. Электростатическое поле характеризуется тем, что оно не изменяется с течением времени. Кроме того, такое поле не может существовать в отрыве от электрических зарядов: электрические заряды являются его «источником» . Вихревое электрическое поле характеризуется тем, что оно может изменяться с течением времени и может существовать в отрыве от электрических зарядов.

Напряженность электрического поля Электрическое поле оказывает силовое воздействие на вносимые в него электрические заряды. Основной количественной характеристикой электрического поля служит вектор Е напряженности электрического поля, являющийся его силовой характеристикой. Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Принцип суперпозиции Напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности. Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электростатического поля, которое передает действие от одного заряженного тела к другому. Электрическое поле представляет собой одну из форм материи, существующую в пространстве вокруг электрического заряда и проявляющую себя силами, действующими на другие заряды, расположенные в этом пространстве. Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами подчиняется закону Кулона, установленному им опытным путем:

Закон Кулона

Линии векторов напряженности и индукции Электрическое поле можно описать аналитически, задав формулы, выражающие зависимость вектора напряженности от координат. Электрическое поле можно представить графически, изобразив для некоторых точек величину и направление вектора напряженности.

Метод изображения электрического поля Фарадеем М. был предложен более наглядный метод изображения электрического поля при помощи линий вектора напряженности (их называют также силовыми линиями или линиями поля). Линией вектора напряженности называется линия, проведенная в поле так, что касательная в каждой ее точке совпадает с направлением вектора напряженности в этой же точке.

Линии вектора напряженности

Линии вектора напряженности При помощи линий вектора напряженности удается охарактеризовать не только направление вектора , но и его численное значение. Линии поля обычно проводят так, чтобы число их через единичную площадку, перпендикулярную линиям, было равно или пропорционально напряженности в этом месте. Чем «гуще» , «плотнее» идут линии вектора, тем больше здесь напряженность поля.

Силовые линии кулоновских полей

Силовые линии кулоновских полей Электростатическое поле, создаваемое любой системой зарядов, может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей точечных зарядов, изображенные на рис. Поля можно рассматривать как элементарные структурные единицы ( «кирпичики» ) любого электростатического поля.

Силовые линии поля электрического диполя

Дипольный момент Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент. Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H 2 O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105°. Дипольный момент молекулы воды p = 6, 2· 10– 30 Кл·м.

Дипольный момент молекулы воды

Характеристики электрических полей Электрические поля различают по конфигурации, наличию объемных зарядов, роду тока. По конфигурации поля подразделяют на плоскопараллельные, плоскомеридианные и трехмерые; по наличию объемных зарядов электростатические однородные и с объемными зарядами, в частности коронные; по роду тока постоянного (униполярные и биполярные) и переменного тока.

Системы электродов для создания поля коронного разряда а - провод, расположенный по оси цилиндра; б - провод-ллоскость; в - провод, находящийся между двумя плоскостями; г - ряд проводов-плоскость; д - ряд проводов, размещенных посредине между двумя плоскостями; е - ряд стержней с иглами - плоскость; 1 - стержень; 2 игла

Плоскопараллельные поля, в которых распределение потенциала зависит от расстояния до электродов, и проведении секущей плоскости, нормальной к их образующим поверхностям, эквипотенциальные линии имеют вид прямых, параллельных образующим. Примеры: поля коаксиальных цилиндров, систем провод «параллельный плоскости» , "провод между плоскостями", "ряд проводов над плоскостью" и т. п.

Плоскомеридианные поля, образованные электродами, имеющими форму тел вращения с общей осью. Параметры таких полей определяются двумя цилиндрическими координатами. Примеры: поля концентрических шаров, систем "шар-плоскость", "игла-плоскость" и др.

Трехмерные поля Трехмерные - поля, созданные сложными системами электродов, параметры которых характеризуются тремя координатами. Примеры: поля систем "равноотстоящие шары или иглы, расположенные над плоскостью", "игольчатые электроды" и пр.

Методы исследования электрических полей условно разделяют на экспериментальные и аналитические. При аналитическом описаний применяют методы сеток, интегральных уравнений, конформных отображений, разложения в ряд, численного интегрирования; экспериментальных - методы сеток, электролитических ванн или исследований на электропроводящей бумаге, измерений с помощью зонда или пробного тела.

Распределение потенциала и напряженности Для электростатических полей распределение потенциала определяют по уравнению Лапласа Δ 2φ= 0 при граничных условия соответствующих заданным значениям напряжения на электродах. Для простых систем распределение напряженности, В/м, находят: непосредственным интегрированием. Так, для системы коаксиальных цилиндров E=U/[rln(r 1/r 0)] где U - напряжение между внутренним и наружным цилиндром, В; r - текущее значение радиуса, м; остальные обозначения указаны на рисунке «а» .

Расчет плоскопараллельных полей При расчете плоскопараллельных полей более сложных систем используют метод конформных отображений, заключающийся в метрическом преобразовании исходной системы электродов в систему электродов, для которой распределение потенциала известно. Та для системы "проводплоскость" (рис. б) распределение напряженности Е = -2 Uhj/[(h 2 +ž 2)ln(2 h/r 0)] где ž = х - jy; х, у - координаты исследуемой точки пространства, причем за ось х принята линия плоскости электрода; остальные обозначения указаны на рисунке «б» .

Расчет плоскопараллельных полей При расчете полей сложной конфигурации (рис. ве), особенно с объемными зарядами, требуются значительные допущения, уточняемые при эксперименте. В экспериментальных исследованиях электрических полей с объемными зарядами широко применяют методы зондовых измерений.

Исследование полей При исследовании трехмерных полей значительные трудности возникают из-за помех, вносимых проводами, соединяющими зонд с измерительной аппаратурой. В этом случае применяют изолированный зонд или пробное тело. Методы сеток и электролитических ванн используют при исследовании простых полей, моделируя их на секущей плоскости.

Способы зарядки частиц При зарядке частицам сообщают избыточный свободный электрический заряд. Основные способы зарядки: ионная (чаще в поле коронного разряда), контактная (на электроде в электрическом поле), комбинированная (на электроде и ионная), индукционно-поляризационная, электризацией (механической, химической или тепловой).

Ионная зарядка происходит в результате осаждения ионов из объема газа, окружающего частицу, на ее поверхности. Наиболее часто для этих целей применяют униполярный коронный разряд.

Проводник-плоскость При U = U 0 напряженность электрического поля у поверхности провода достигает значения Е 0, при котором в этой области начинается ионизация воздуха. В остальной части межэлектродного промежутка напряженность электрического поля недостаточна для того, чтобы поддержать процесс ионизации. Возникающий разряд и называют коронным.

Напряженность коронного разряда Начальную напряженность коронного разряда для цилиндрического коронирующего электрода определяют по эмпирической формуле Пика, В/м, Е 0=30, 3· 105δ(1+0, 0298/√δr 0), где δ - относительная плотность воздуха, δ = 289· 10 -5 р/Т; р - атмосферное давление, Па; Т - температура воздуха, К (при р = 1, 013· 105 Па и Т = 293 К, δ = 1); r 0 - радиус коронирующего электрода (провода), м.

Вольт-амперная характеристика Начальное напряжение коронного разряда, В, Uo = Еоrо. А, где А - функция геометрических параметров принятой системы электродов. При U ≥ Uo вольт-амперная характеристика описывается уравнением Il = kε 0 G, где Il удельная (на единицу длины коронирующего провода) сила тока, А/м; к - подвижность ионов, м 2/(В·с); ε 0 - электрическая постоянная; G - функция напряженности и геометрических параметров принятой системы электродов, В 2/м 2.

Униполярная корона При развитой униполярной короне напряженность поля Е, В/м, и объемную плотность электрических зарядов р3, Кл/м 3, вблизи некоронирующего электрода можно определить по формулам где D, L - параметры, зависящие от системы электродов.

Значения параметров ; Для провода, расположенного по оси цилиндра (рис. а), D = 1; L = 1/r, где r – текущий радиус, м.

Значения параметров Для провода-плоскости (рис. б) где х - расстояние от провода до текущей точки центральной силовой линии, м, для которой приведены значения D и L.

Коэффициент формы Многие частицы материалов, обрабатываемых в сельскохозяйственном производстве, имеют форму двухосного эллипсоида (например, зерно), степень вытянутости которого определяют коэффициентом формы (сферичности): К = в/а, где в и а - малая и большая оси эллипсоида, м.

Заряд частиц, Кл, при ориентации большой оси вдоль поля Qmax l = Eπε 0 b 2εr/[1+(εr – 1)da] при ориентации большой осью поперек поля Qmax l = Eπε 0 abεr/[1+(εr – 1)db] где Е - напряженность электрического поля в месте нахождения частицы, В/м; εr - относительная диэлектрическая проницаемость материала частицы; da, db - коэффициенты деполяризации эллипсоида, характеризующие степень искажения им внешнего поля в направлении большой и малой осей и зависящие от коэффициента сферичности.

Сферичная частица Для сферичной частицы a = b; da = db = 1/3. Тогда Qmax l = 3πε 0εra 2/(εr +2)

Ионная зарядка Преимущество ионной зарядки заключается в универсальности - ее действие распространяется на частицу как проводящих, так и изоляционных материалов и, кроме того, на частицы, взвешенные в потоке воздуха или газа.

Зарядка на электроде в электрическом поле (контактная) происходит в результате перехода свободного заряда под действием поля с электрода на частицу или наоборот. Знак заряда часта совпадает со знаком потенциала того электрода, на котором она находится.

Проводящая сферичная частица Для проводящей сферичной частицы диаметром d, м, при условии, что переходное сопротивление в месте ее контакта с электродом равно нулю, предельный заряд Qmax l = π3ε 0 Ed 2/6 Непроводящие частицы на электроде электростатическом поле практически заряжаются. в не

Зарядка на электроде Преимущества зарядки на электроде в электрическом поле - относительно малое потребление энергии и отсутствие побочных газообразных продуктов (озона и оксидов азота), свойственных коронному разряду.

Совмещение зарядки на электроде с ионной возможно в том случае, если частица находится на некоронирующем электроде в поле коронного разряда. Тогда она одновременно заряжается ионами, движущимися от коронирующего электрода, и контактным способом - от некоронирующего.

Предельный заряд частицы Qmax l = Qmax l μк где Qmax l - предельный заряд эллипсоида в поле коронного заряда; μк - коэффициент, зависящий от размеров и электрофизических свойств частицы в поле коронного разряда.

Постоянная времени зарядки Для эллипсоида, ориентированного большой полуосью вдоль поля, τ = ε 0(da εr +1 - da)/(daγ) где γ - удельная электрическая проводимость частицы, См/м.

Индукционнополяризационная зарядка Индукционно-поляризационная зарядка происходит в том случае, если к среде поднести точечный заряд. Он индуцирует на плоскости противоположный по знаку заряд - Q 3. Между индуцированным зарядом - Qз(плоскостью) и точечным Q возникает сила притяжения, которую называют силой зеркального отображения.