praca inzynierska 12.pdf

(2049 KB) Pobierz
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KIERUNEK: ELEKTROTECHNIKA
Specjalność: Elektrotechnika Przemysłowa
Krystian Kapral
Nr. albumu: 241839
Badanie zachowania się baniek mydlanych w nierównomiernym polu
elektrycznym
Study of the behavior of soap bubbles in a nonuniform electric field
INŻYNIERSKA PRACA DYPLOMOWA
Studia: stacjonarne
Opiekun:
Dr. inż. Adam Pelesz
Katedra Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii
………….. ………………………
ocena data, podpis opiekuna
Wrocław, 2020
Spis treści
1.
2.
CEL I ZAKRES PRACY .................................................................................................... 4
BAŃKI MYDLANE W POLU ELEKTRYCZNYM ......................................................... 5
2.1
2.2
2.3
Bańki mydlane ............................................................................................................. 5
Historia badań .............................................................................................................. 6
Zjawiska zachodzące w nierównomiernym polu elektrycznym .................................. 8
3.
OPIS UKŁADU POMIAROWEGO................................................................................. 10
3.1
Przebieg eksperymentu .............................................................................................. 11
Podstawowe wielkości ............................................................................................... 15
Wykresy i tabele ........................................................................................................ 17
Opracowanie wyników pomiarów i przykładowe obliczenia.................................... 25
WYNIKI POMIARÓW .................................................................................................... 15
4.1
4.2
4.3
4.
5.
6.
7.
PODSUMOWANIE .......................................................................................................... 28
WNIOSKI ......................................................................................................................... 31
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 33
3
1. CEL I ZAKRES PRACY
Celem przewodnim niniejszej inżynierskiej pracy dyplomowej było eksperymentalne
zbadanie zachowania się baniek mydlanych w nierównomiernym polu elektrycznym.
Przeprowadzone eksperymenty, polegały na wprowadzeniu bańki mydlanej w
nierównomierne pole elektryczne, poprzez podawanie na bańkę mydlaną coraz większego
napięcia stałego w układzie typu otrze-płyta. Eksperyment przeprowadzono w sposób
pozwalający na obserwację zachowania się bańki mydlanej, co w ostateczności pozwoliło na
sformułowanie i scharakteryzowanie zjawisk występujących na badanym obiekcie. Przegląd
literaturowy pozwolił zagłębić się w tematykę oddziaływania pola elektrycznego na ciecze.
Zakres pracy obejmował tworzenie baniek mydlanych o podobnych wymiarach, których
zachowanie w nierównomiernym polu elektrycznym było uwieczniane za pomocą aparatu
fotograficznego. Na podstawie otrzymanych zdjęć, przeanalizowano zmiany zachodzące w
kształcie bańki mydlanej. Każde dodatkowe występujące zjawisko było notowane w
podręcznym zeszycie w celu późniejszej analizy. Pomiary w formie zdjęć oraz nagrań
pozwoliły zaobserwować zachowania które dla niektórych przypadków były niemalże
niewidoczne dla ludzkiego oka. Na podstawie otrzymanych wyników stworzono wykresy
pozwalające zobrazować zmiany zachodzące w kształcie bańki. Ilość wykonywanych zdjęć
lub nagrań dla danego punktu pomiarowego pozwoliła na zbadanie zmian zachodzących na
bańce mydlanej w czasie działania nierównomiernego pola elektrycznego.
4
2. BAŃKI MYDLANE W POLU ELEKTRYCZNYM
2.1 Bańki mydlane
Bańka mydlana to roztwór wody z mydłem lub innym detergentem (czyli substancją
obniżającą napięcie powierzchniowe wody np. płynem do mycia naczyń), który tworzy
zamkniętą, sferyczną bardzo cienką błonę wypełnioną powietrzem lub innym gazem.
Głównymi parametrami którymi jesteśmy w stanie opisać bańkę mydlaną są: grubość jej
błony, masa, średnica, wysokość i szerokość oraz napięcie powierzchniowe roztworu
tworzącego bańkę mydlaną [1]. Wpływ na długość życia bańki mydlanej ma środowisko
produkcji i trwałość błony która zależy od użytych składników. Jeżeli bańka mydlana leży na
danej powierzchni można także zdefiniować kąt zwilżania jaki dana bańka mydlana tworzy z
tą powierzchnią [2]. Parametry takie jak grubość błony nie są stałe w czasie. Bańka mydlana
na górze jest cieńsza, co wywołane jest zjawiskiem parowania oraz ściekania grawitacyjnego
płynu, a otrzymywane pomiary grubości wskazują wartości od kilkudziesięciu do kilkuset
nanometrów. Wartość napięcia powierzchniowego, wymiary bańki mydlanej i mieszanina
mydła mają wpływ na długość jej życia [1][2].
Działanie pola elektrycznego powoduje powstanie naprężeń elektrycznych w związku z
czym bańka mydlana zmienia swój kształt [3]. Gdy poddamy ją działaniu silnych pól
elektrycznych, może dojść do niestabilności mechanicznej w wyniku czego zaczną się z niej
wydzielać naładowane strumienie cieczy. Aby do tego doszło, należy zwiększać stopniowo
wartość pola elektrycznego, otrzymując przedstawione na Rys. 2.1. kolejne etapy zmiany
kształtu bańki mydlanej. Zaczynając od półkulistego, otrzymujemy kształt stożkowaty [4]. W
kolejnych etapach bańka mydlana (już w kształcie stożka) zaczyna wibrować po czym
następuje formowanie się strumienia („włókna” cieczy) który wyciąga roztwór z bańki
mydlanej. Zjawisko to powoduje spłaszczanie się wierzchołka, które może doprowadzić do
ponownej zmiany kształtu ze stożkowatego na niemalże półkulisty. Pęknięcie „włókna”
tworzy kropelki roztworu, które są unoszone zgodnie z kierunkiem działania pola.
Ostatecznie, zwiększanie wartości pola elektrycznego prowadzi do pęknięcia bańki mydlanej
[3][4].
Rys 2.1. Etapy zmiany kształtu bańki mydlanej pod wpływem działania równomiernego pola
elektrycznego (Na podstawie badań C.T.R Wilson oraz G.I Taylor
The bursting of soap-bubbles in a
uniform electric field
[2])
5
2.2 Historia badań
Pierwsze badania na temat zachowania się cieczy w polu elektrycznym wywodziły się od
tematyki meteorologicznej [5]. Naukowcy którzy podjęli się tego tematu, chcieli stworzyć
teorię która pozwoliłaby wyjaśnić istotę powstawania burz. Opracowanie jednak nie
przyniosło rezultatów wobec czego skończyło się na kilku teoriach, z której żadna nie
nadawała się jako ogólna i prawdziwa. Stwierdzono, że ważnym aspektem w definiowaniu
mechanizmu powstawania burz będzie znajomość zachowania się kropel wody w silnych
polach elektrycznych. Podjęto się więc badań, w których rozpędzona kropla wody wpadała w
silne pole elektryczne. Obok samych kropel zainteresowaniem naukowców cieszyły się też
bańki mydlane m.in. ze względu na łatwość obserwacji [5].
W 1925 roku prof. C.T.R. Wilson oraz G.I. Taylor opisali swoje badania na temat
zachowania się baniek mydlanych w polu elektrycznym [5]. Bańki mydlane zostały przez
nich wybrane ze względu na podobne do kropel wody zachowanie w polu elektrycznym, oraz
związane z parametrami bańki mydlanej możliwości manipulacyjne. Wtedy też G.I. Taylor
dzięki analizy wymiarowej i eksperymentalnej a następnie przybliżonym obliczeniom w
których założył sferoidalny kształt, opisał po raz pierwszy granicę stabilności kropli cieczy w
polu elektrycznym[5].
W podobnym czasie J. Zeleny [4] badał zachowanie cieczy obdarzonych ładunkiem
elektrycznym. Podczas trwania eksperymentów zaobserwował, że niektóre ciecze na które
działa
pole
elektryczne
przyjmują
podobne
stożkowate
kształty.
Sformułowano wtedy warunki równowagi elektrostatycznej naelektryzowanej bańki mydlanej
którą można zapisać jako[4]:
(1)
gdzie: - napięcie powierzchniowe,
- promień bańki mydlanej,
- przenikalność
elektryczna próżni, - natężenie pola elektrycznego,
- różnica ciśnień pomiędzy gazem
wewnątrz a na zewnątrz bańki mydlanej
Zakładając że różnica ciśnień
wynosi 0 (warunek równowagi bańki mydlanej), oraz z
faktu że ładunek sferycznej bańki i pole elektryczne na jej powierzchni wiąże relacja:
(2)
można
podać
wzór
ma
maksymalny
możliwy
ładunek
na
sferycznej
bańce:
√ √
(3)
Dla kropel można sformułować analogiczną zależność, zwaną limitem Rayleigha [8].
6

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin