7.6 Zastosowanie elektrostatyki

Generator Van de Graaffa

Generatory Van de Graaffa (ang. Van de Graaff generator) nie są tylko urządzeniami do spektakularnych demonstracji z użyciem wysokiego napięcia, wytworzonego przez zgromadzony na kopule ładunek elektryczny, ale służą do poważnych badań naukowych. Pierwsze tego typu urządzenie zostało skonstruowane w 1931 roku przez Roberta Van de Graaffa, amerykańskiego fizyka i wynalazcę, na podstawie pomysłu Lorda Kelvina i znalazło swoje zastosowanie w fizyce jądrowej. Na Ilustracji 7.41 przedstawiono schemat wersji służącej do celów naukowych. Generatory Van de Graafa wykorzystują zarówno idealnie gładkie, jak i zaostrzone powierzchnie, a także przewodniki i izolatory, aby wytwarzać ogromne ładunki elektryczne, a tym samym – napięcia.

Zgromadzenie bardzo dużej ilości ładunku nadmiarowego na czaszy jest możliwe dzięki temu, że ładunek przenoszony przez pas transmisyjny szybko przemieszcza się na zewnętrzną powierzchnię czaszy. Praktycznym ograniczeniem maksymalnej wielkości ładunku możliwej do zgromadzenia jest fakt, że duże pole elektryczne prowadzi do polaryzacji, a nawet jonizacji materiału, z którego wykonane są podzespoły generatora, a wytwarzane w ten sposób swobodne ładunki neutralizują lub wypychają ładunek nadmiarowy w czaszy. Niemniej jednak w ramach tych ograniczeń łatwe do uzyskania są napięcia rzędu 15 milionów woltów.

Ilustracja 7.41 Schemat generatora Van de Graaffa. Ładunek nadmiarowy jest przekazywany z baterii ($A$) do pasa transmisyjnego, który jest wykonany z izolatora, za pomocą przewodnika o kształcie szczotki z zaostrzonymi końcami. Szczotka u góry urządzenia ($B$) zbiera nadmiarowy ładunek z obracającego się pasa (pole elektryczne wyindukowane na końcówkach szczotki jest na tyle duże, że usuwa ładunki z pasa). Jest to możliwe dzięki temu, że w samej szczotce ładunek nie jest zgromadzony, natomiast szybko odpływa na zewnętrzną powierzchnię metalowej czaszy. Źródło jonowe, umieszczone wewnątrz czaszy, wytwarza dodatnie jony, które są przyspieszane do wysokich prędkości w polu wytwarzanym przez ładunek nadmiarowy.

Kserografia

Większość urządzeń kopiujących wykorzystuje metodę kopiowania opartą na procesach elektrostatycznych, zwaną kserografią (ang. xerography) – nazwa pochodzi od połączenia greckich słów xeros, czyli suchy, i graphos, czyli pisać. Kserografia jest metodą tzw. suchego kopiowania. Istotę wykorzystywanego procesu przedstawiono w uproszczony sposób na Ilustracji 7.42.

Ilustracja 7.42 Kserografia jest metodą suchego kopiowania, opartą na procesach elektrostatycznych. Najważniejsze etapy powstawania kopii kserograficznej są następujące: ładowanie fotoprzewodzącego bębna, wykonanie pozytywu kopiowanego obiektu na bębnie, naniesienie dodatniego ładunku na pozytyw, przyciąganie tonera do dodatnio naładowanych fragmentów bębna, przeniesienie tonera na papier. Na schemacie nie przedstawiono etapu obróbki cieplnej papieru i oczyszczania bębna przed następną kopią.

Na aluminiowy bęben kopiarki, pokryty warstwą selenu, przy pomocy tzw. zespołu ładującego (elektroda + rolka) rozpylany jest ładunek dodatni. Selen ma bardzo interesujące własności – jest fotoprzewodnikiem (ang. photoconductor), co oznacza, że w ciemności ma właściwości izolatora, natomiast pod wpływem ekspozycji na światło staje się przewodnikiem.

W pierwszym etapie kopiowania metodą kserograficzną bęben jest uziemiony, dlatego w obecności dodatnio naładowanej warstwy selenu cały ujemny ładunek odpływa z bębna do ziemi. Następnie obraz kopiowanego przedmiotu/kształtu jest nanoszony na bęben (papier z kopiowaną treścią jest prześwietlany i cień obrazu pada na bęben). W obszarach, w których obraz jest jasny, selen staje się przewodzący i dodatni ładunek na bębnie zostaje zneutralizowany (odpływa). W obszarach ciemnych nadmiarowy ładunek dodatni pozostaje, w ten sposób mamy utrwalony obraz kopiowanego przedmiotu czy kształtu – na bębnie powstaje „ładunkowy pozytyw”.

W trzecim etapie czarny (lub kolorowy) proszek obdarzony ładunkiem ujemnym, nazywany tonerem, jest rozpylany na powierzchnię bębna i przyciągany do dodatnio naładowanych obszarów na selenowej powierzchni bębna. Następnie kartka papieru, na której zgromadzono ładunek dodatni większy niż ten na bębnie kopiarki, jest przykładana do bębna za pomocą odpowiedniego zestawu rolek. Cząsteczki tonera są odrywane od bębna i przenoszone na papier. Na końcu papier wraz z tonerem przechodzi przez tzw. zespół grzewczy (układ rolek dociskających w wysokiej temperaturze), gdzie cząsteczki tonera rozpuszczają się i trwale zgrzewają z włóknami papieru.

Drukarki laserowe

Drukarki laserowe wykorzystują metodę kserografii do uzyskiwania na papierze wysokiej jakości obrazów, co możliwe jest dzięki zastosowaniu lasera do wytwarzania obrazu na powierzchni fotoprzewodzącego bębna (Ilustracja 7.43). W standardowej konfiguracji drukarki otrzymują obraz drukowanego przedmiotu lub kształtu w postaci elektronicznej z komputera i przenoszą go na bęben za pomocą bardzo skupionej wiązki światła laserowego, dzięki czemu uzyskuje się wysoką rozdzielczość wydruku. Współczesne drukarki laserowe wykonują często bardzo zaawansowane procesy przetwarzania obrazów, jak otrzymywanie złożonych kształtów czcionek i drobnych detali, co jest możliwe dzięki zamontowanym z nich mikroprocesorom o mocy często większej niż w niejednym komputerze, z którego otrzymują plik do druku.

Ilustracja 7.43 W drukarce laserowej wiązka światła laserowego skanuje kartkę na całej szerokości fotoprzewodzącego bębna i przenosi obraz na bęben w postaci dodatnio naładowanego pozytywu. Pozostałe procesy przenoszenia obrazu na papier są takie same jak w metodzie kserograficznej (np. w kserokopiarce). Wiązka światła laserowego może być bardzo precyzyjnie kontrolowana, co umożliwia wytwarzanie kopii o bardzo dobrej rozdzielczości.

Drukarki atramentowe i malowanie elektrostatyczne

Drukarka atramentowa (ang. ink jet printer) także wykorzystuje do swojego działania elektrostatykę. Dysza drukarki bardzo precyzyjnie rozpyla krople atramentu, które następnie uzyskują ładunek elektryczny (Ilustracja 7.44) i są przenoszone na papier.

Naładowane krople tuszu mogą być łatwo sterowane za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego między dwiema naładowanymi płytkami, dzięki czemu możliwe jest formowanie liter i złożonych kształtów na papierze. Drukarki atramentowe mogą tworzyć kolorowe kopie za pomocą tuszów o kolorze czarnym i trzech kolorach podstawowych – w technologii drukarskiej są to zazwyczaj cyjan, magenta i żółty (te cztery kolory składają się na paletę CMYK).

Ilustracja 7.44 Dysza drukarki atramentowej wytwarza drobne krople atramentu, które po naładowaniu ładunkiem elektrycznym są rozpylane na papierze. Złożony układ wielu elementów sterowanych za pomocą mikroprocesora jest odpowiedzialny za skierowanie kropli w odpowiednie miejsce na kartce papieru.

Malowanie elektrostatyczne wykorzystuje ładunek elektryczny zawieszony w kroplach rozpylanej farby czy lakieru do malowania powierzchni i przedmiotów o nieregularnych kształtach. Wzajemne odpychanie jednoimiennie naładowanych cząsteczek powoduje wyrzut farby w kierunku malowanej powierzchni. Cząsteczki farby, które wskutek występowania zjawiska napięcia powierzchniowego tworzą kuliste krople, są następnie przyciągane przez ładunki przeciwnego znaku zgromadzone na malowanej powierzchni. Dzięki rozpylaniu elektrostatycznemu możemy uzyskać warstwy o identycznej grubości na całej powierzchni malowanego przedmiotu, nawet w miejscach trudno dostępnych. W ten sposób wykonuje się pokrycia lakierem np. karoserii samochodów osobowych. Jeśli malowana powierzchnia jest wykonana z materiału przewodzącego, to linie pola elektrycznego są prostopadłe do powierzchni, więc krople lakieru są przyciągane prostopadle do niej. Ostre krawędzie i wystające fragmenty otrzymają dodatkową porcję lakieru (wiemy to na podstawie rozważań z poprzedniego podrozdziału).

Elektrofiltry i oczyszczanie elektrostatyczne

Innym ważnym z punktu widzenia techniki zastosowaniem elektrostatyki jest oczyszczanie powietrza, zarówno na wielką, jak i małą skalę. W etapie wykorzystującym zjawiska elektrostatyczne w procesie oczyszczania na cząsteczki dymu, kurzu, pyłu czy wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń w powietrzu nanosi się ładunek elektryczny (zazwyczaj dodatni) i przepuszcza powietrze przez siatkę (lub układ wielu siatek) obdarzonych ładunkiem przeciwnego znaku. Cząsteczki zanieczyszczeń są wtedy przyciągane do siatki i usuwane ze strumienia powietrza, które zostaje oczyszczone (Ilustracja 7.45).

Wielkie elektrofiltry (ang. electrostatic precipitator, nazywane też filtrami lub odpylaczami elektrostatycznymi) są wykorzystywane w przemyśle ciężkim do usuwania ponad 99% zanieczyszczeń powstałych wskutek spalania węgla czy oleju, a także wszelkich procesów hutniczych i metalurgicznych. Domowe elektrofiltry, często zainstalowane w instalacji ogrzewania lub klimatyzacji, w efektywny sposób usuwają pyły (np. zawarte w miejskim smogu), alergeny i substancje szkodliwe. Oczyszczanie elektrostatyczne jest stosowane nie tylko do oczyszczania powietrza, ale także np. w filtrach olejów i innych cieczy.

Ilustracja 7.45 (a) Schemat działania elektrofiltru. Powietrze jest przepuszczane przez układ siatek o przeciwnych potencjałach. Na pierwszej z nich cząsteczki powietrza zasysane z zewnątrz są obdarzane ładunkiem (dodatnim), a na drugiej są wychwytywane i zatrzymywane. (b) Spektakularny efekt stosowania elektrofiltrów jest widoczny na tym zdjęciu elektrowni, gdzie nie dochodzi do emisji niemal żadnych pyłów i dymów. Źródło (b): modyfikacja pracy „Cmdalgleish”/Wikimedia Commons