Решение: Физические основы электрокинетических и электрокапиллярных явлений

Тест № 10 Дисциплина: Электротехнологические установки Вопрос 1. Физические основы электрокинетических и электрокапиллярных явлений. Ответ: В основе данных явлений лежит существование двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела двух фаз (например, твердого тела и жидкости). 1. Электрокинетические явления — это процессы, возникающие при относительном движении фаз под действием электрического поля или, наоборот, вызывающие появление электрического потенциала при механическом движении. К ним относятся: — Электроосмос: движение жидкости через капилляры или пористые тела под действием внешнего электрического поля. Скорость движения определяется формулой Гельмгольца-Смолуховского: \[ v = \frac{\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot \zeta \cdot E}{\eta} \] где \( \varepsilon \) — диэлектрическая проницаемость, \( \zeta \) — дзета-потенциал, \( E \) — напряженность поля, \( \eta \) — вязкость. — Электрофорез: движение твердых частиц, взвешенных в жидкости, к электроду под действием поля. — Потенциал протекания и потенциал седиментации: обратные явления (возникновение разности потенциалов при движении фаз). 2. Электрокапиллярные явления — это зависимость поверхностного натяжения границы раздела фаз от электрического потенциала этой границы. Основное уравнение электрокапиллярности (уравнение Липпмана): \[ \frac{d\sigma}{d\varphi} = -q \] где \( \sigma \) — поверхностное натяжение, \( \varphi \) — потенциал, \( q \) — плотность заряда поверхности. При изменении потенциала меняется плотность заряда, что приводит к изменению сил взаимного отталкивания частиц на поверхности и, как следствие, к изменению формы мениска жидкости в капилляре. Вопрос 2. Физические процессы обработки материалов в установках, принцип работы которых основан на использовании энергии магнитного поля. Ответ: Основным видом такой обработки является магнитно-импульсная обработка металлов (МИОМ). Физика процесса заключается в силовом взаимодействии импульсного магнитного поля с наведенными в заготовке вихревыми токами. Основные этапы процесса: 1. Накопление энергии: Конденсаторная батарея заряжается до высокого напряжения. 2. Разряд: Энергия мгновенно подается на рабочий инструмент — индуктор. 3. Индукция токов: В индукторе протекает импульсный ток \( I_1 \), создающий мощное переменное магнитное поле с индукцией \( B \). Это поле проникает в проводящую заготовку и индуцирует в ней вихревые токи \( I_2 \). 4. Возникновение сил: Согласно закону Ампера, взаимодействие тока заготовки с магнитным полем индуктора создает электродинамические силы (силы Лоренца). Давление магнитного поля \( P \) определяется как: \[ P = \frac{B^2}{2\mu_0} \] где \( \mu_0 \) — магнитная постоянная. 5. Деформация: Если давление магнитного поля превышает предел текучести материала, происходит сверхскоростная пластическая деформация заготовки (обжатие, раздача или штамповка). Преимущества таких отечественных технологий заключаются в высокой производительности и возможности бесконтактной обработки деталей сложной формы, что активно применяется в российском авиастроении и космической отрасли.