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電風形成及粉塵荷電

文檔作者：孫啟美文檔來源：四平師范學院物理系		更新日期： 2026年03月06日	點擊數(shù)：
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上一篇：火電廠輸煤系統(tǒng)的粉塵治理措施

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G，一
靜電象 靜 ’ ，移 ，
電風’’形成及粉塵荷電
(c?四平師 范學院物理繇系 ／ ’’ b
摘 要
本文從靜電學的基礎(chǔ)理率出發(fā)．分析了靜電除奎演不 一 ’≮。·‘ +。 。 奄．電曩
的形成以及煙霧中粉塵荷電過程．從理論上解釋芝 ； ： ≤ ： ，
在靜電學的教學中，靜是除塵演示實驗做為靜電鲴一
重要應(yīng)喟出現(xiàn)在課堂上 在一些書上和電稅錄像贛p i’醢 r ，r 、、
紹丁這樣一個演示實驗：在玻璃箱內(nèi)放兩塊帶有塵 皂 ．
做為兩極，箱內(nèi)放些花朵如圖1，向箱內(nèi)吹進餾霧．花朵 鴦 -一、 ，／
模糊不清丁，當兩極與起電機的兩極相聯(lián)帶電旨 姆霧墨 ～ ? 一 ／
消失。對這個現(xiàn)象給個簡單的解釋為：當兩板帶電后．由子
端放電，使煙霧電離，電離后的互負離子分別暖附孝兩蝕
板上．煙霧就消失了。 ，
筆者認為．，要使讀者真正掌握這個實驗甄理． ． 逆
個實驗進行深入分析和研究。 ’
本文從靜電的基礎(chǔ)理論出發(fā)，分析靜電陳塵過程豐祆板 、 ， 一．一
空間的電場分布、電風形成以及煙霧中粉塵粒子的帶電：
程．以求把這個演示實驗的原理搞清楚。
一
、金屬尖針附近的電場分布及電風的形成
1．尖針附近的電場分布
在實驗中用的是兩排金屬尖針，分別與起電機的兩極榴黟害 帶』二宅背．之 司就形成
了電場。尖針相當于一個圓錐體，如圖2．取團錐尖譽由簿生輯榮 等 味 0勺蘭 糸
極軸 討論O≤0≤ ，r—a的區(qū)域．這個區(qū)域不存在電荷 電茍寫兮布奪逸域! 二 上．區(qū)域冉
勢滿足laplase方程：
。妒= 0 i
在球坐標下．方程旋轉(zhuǎn)對稱的遺解由下列基率解的線性迭加，
曩．： fA r 曰．，“～ P，·、c。s ) 2
r-0時育限錛的形式為 =-A．r’P (￡0s )的迭加 其印 為位任意正婁 由于設(shè)討論原點
附近醫(yī)域的場， 越小貢獻越大，故，口取 的蟮小值
!= ，qr P，，(cos,q) (3)
A 和 ，是待定系效由邊界條件確定 由于 ．一一定是非整數(shù)，敵設(shè)。i≤j．函 ：尖端是細錐體，
≤l 當 +o時尖針附近的 幾乎與8無關(guān)，在a≤ 時可假漫．
l
一166 一 ；
／
潦
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(eose)一l+ ，( ’，< ≤ 1
代入勒讓德方程
芻(sin 翥)+h( +1)P=0
d c
sin )一．
故
，( )一 In2+ In詈+ lnc。s詈+c lrl$in詈一c lnCOs詈+c
在o≤e≤耳一a內(nèi)，f(8)無奇點，故
Cl=～ Vl Cl=一 2In2 ，( )= 2~ncos
電勢 一Ar~[1+2v1c∞ ]
代入邊界條件 8=，c—a的錐面上 =0．則 ：去
，l三
園錐尖端附近的場強
fE，：一Aulr',一 1+2 lncos罷)
1 (4)
fE·一Au1r，1～ tg- 6-P
電荷密度分布為
=一eoE．f =玎一口=一e。 1r ‘lctg要 (5)
尖針附近的場強為
E∞r(nóng)一“ 一壺 (6)
由于a很小，故E基本按÷變化。
E ∞ (7)
在尖針處，r-*Eq~強。由于實驗中利用兩排頭針，故每排尖針附近的場強都很旨。隨r增加電
場急驟減小?？臻g電場分布極不均勻
2．電風的形成
當逐步提高兩排尖針之間的電壓時．在尖針表面附近的空問，電場強度首先達到電離的
臨界值E ，在這個小范圍內(nèi)，空氣首先電離，中性空氣分子通過碰撞電離為正離子和電子。
繼續(xù)升高電壓，電子及正離子被電場加速，不斷同中性分子碰撞，弓f起新的電離，產(chǎn)生新的電
子和正離子。每次碰撞都會使正離子和電子數(shù)倍增，形成電子雪崩。此時電暈放電伴隨著咝
咝氣體爆炸聲。雪崩發(fā)生在兩排尖針的強場區(qū)或內(nèi)，碰撞電離產(chǎn)生的電子群，遷移率比正離
子的遷移率大10’倍左右，故非常迅速地離區(qū)向正極運動，形成由負極到正極的。電風”。
二、煙霧顆粒帶電過程
由于碰撞電離的電子群，受電電場力作用。急速向正極板運動。在路徑上與煙霧粒子碰
一167 —
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境時，就被吸附。粉塵粒子吸附負離子通過兩種方式。一種是電場荷電，即負離子在外電場
的作用下碰撞粒子麗碹吸附，使粒子帶電；第二釉方式為擴散荷電，即由于離子無規(guī)則熱運
動與粒子碰撞吸附在粒子上使粒子帶電
1．電場荷電
使設(shè)柱子為半徑勺a 介電常數(shù)為e的介質(zhì)小球．并設(shè)粒子處于均勻外場中·則粒子外部
場分布為“j
E=E,~cc．s 一-- 三去 一 砌 l十( ) (8)
在球面上r—a
E一；一 E s 一 ’=三=羞E。sin乳i (9)
電暈放電形成的負離子受電場力昀作用移向粒 粒子被吸附．過一段時間看。粒子帶電量為
一Q，則粒子表面徑向電場應(yīng)加5紂加項一 。
E， 口 一i Ee~os 一_旦． (1O) r
一 ¨ w
此時粉塵粒子解吸附受離子的條件為：
御一- ≥ 。
故Q =12耳高a。E
設(shè)P為負是子的電荷密度，p為其遷移率，則{立子表面的電流密霞
j，一ID E， r= a— l0 E。(c。s 一 ) 11)
粉塵粒子的電荷增加率由連續(xù)方程
磐=一 。= c +
積分并代初始條件t=0，Q=o
Q( 一南 z一 n2
J T f
其中r=等為時間常數(shù)。
當t=3r時．Q=x5 Q一，t=10r時，Q=91 Q ，若使短時間內(nèi)給粒子帶上盡可能多
的電荷，必須減小r．即增加負離子的電荷密度p、遷移率 ．這就要求增強尖針的電場．
2．擴散荷電
由統(tǒng)計力學，勢場中離子濃度分布不均勻，它的分布規(guī)律是
N ；==Ⅳ 一 ‘ 盯 ‘ (13)
其中N。為未徼抗時的均勻負離子濃度，V(r)為負離子在帶電粒子電場中的勢能，K為玻爾
茲曼常數(shù)．T是絕對溫度．
)一器 ，
一． 16R 一一
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在半徑為r的粉塵枝子表面上
N — N．e 芒
在擴散過程中．離子以各方向等凡率造到粒子表面 如暈所有與粉塵粒子碰撞的離子都
圍電象力而被!l夏收，則鏈子帶電宰力： ‘
= 一 qV?：南
l V是負離子熱運動 均方根蘧率 積分并代入初始條件t=o。Q=0剛
Q= 4~ ,a
，
KT 7 ， ‘
。 (16='
e {毫．上、i 一
一般溉宗，直徑大于2 ㈣鮑繾 、電場靖黽當王要地位，而d<2 m的粒子，擴散荷電
占主要地位 我們演示所用的餾霧粒子直徑 趕于2 m，只需考慮電場荷電就夠『。
終上分析，演示實驗除塵過程應(yīng)解釋為：兩排尖針加上高電壓后，尖針附近形成強} 場，
迫使圊圍空氣電離而產(chǎn)生電暈放電．形哎電風。熘霧中的粒子通過電場荷電后，飛向電強并
在電極上，從而達到除塵目的。若使實驗效果明顯，除法快，必須提供高電風風速 搬換粒
子的萄電逮，雯。這就要求提高兩掇聞電壓
參考文獻
(i、郭礤馮編 電動力學 、最敦蠆 鈑氈 I989年叛
0： 湯篷萏‘ 物理l8一l j 98
(3 i·j W h te Industrial Electrt)static Precipitation 1963
關(guān)鍵詞：電風 電暈荷電

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