Měření elektrostatických polí reziduálních elektrických nábojů

Úkol měření:

Změřit intenzitu elektrického pole náboje lokalizovaního na ploše za přítomnosti člověka a v závislosti na vzdálenosti.

Teorie:

Masový rozvoj výroby umělých hmot, které jsou zpravidla vynikajícími elektrickými izolanty, a jejich aplikací v interiérech (podlahoviny, textílie, oděvy, obaly aj.) přinesl masový výskyt efektu, který dříve byl pouhou fyzikální kuriozitou. Jde o zobecněný triboelektrický efekt (podrobnosti při  přednáškách). Jeho význam pro životní prostředí, zejména v interiérech není dosud v celé šíři vyjasněn. Zatím se předpokládá, že nejdůležitějsí roli hraje při distribuci aerosolů. Současné obytné, studijní, pracovní aj. interiéry jsou obvykle prostoupeny elektrickými poli nábojů lokalizovaných na různých předmětech, popřípadě generovaných různými přístroji. Jejich znalost je pro studium problematiky životního prostředí nezbytná.
Nejvýznamnější z přístrojů, kterými lze uvedená pole (a samozřejmě i jiná) měřit, je tzv. rotační voltmetr, označovaný v zahraniční literatuře obvykle jako snímač field mill. Existuje v několika variantách. V rámci laboratorní úlohy se používá rotační voltmetr plošný, který je tvořen izolovanou elektrodou tvaru hvězdice, nad níž se pomocí synchronního motoru otáčí uzemněná elektroda, rovněž tvaru hvězdice. Je-li přístroj v elektrickém poli, pak se v izolované elektrodě (není-li zrovna překryta rotující elektrodou) indukuje elektrický náboj. Ten je při překrytí elektrody uzemněnou rotující elektrodou odveden prostřednictvím odporu do země. To se peridocky opakuje, takže na odporu lze snímat střídavé napětí, jehož amplituda je úměrná intenzitě měřeného elektrického pole. Časový průběh napětí na odporu je ovlivněn tvarem obou elektrod. Má-li nehybná elektroda tvar listu vyhovující rovnici 1 (v polárních souřadnicích), kde N je počet párů listů a ostatní parametry jsou na obr. 1, je potom napětí na odporu sinusové.
Elektrody rotačního voltmetru
(obr. 1)

Rovnice pro tvar nepohyblivé elektrody.
(rovnice 1)

Postup měření:

  1. Seznámíme se s aparaturou. (viz též obr. 2).
  2. Do drážky pro vzorky vložíme kovovou desku, spojíme ji s kostrou rotačního voltmetru (dále RV), který je těsně u desky. Zapneme měřící přístroj ve funkci AC voltmetru na rozsahu 2 V. Zapneme RV pomocí mezišňůrového vypínače a ověříme, že v blízkosti RV je nulové elektrické pole.
  3. Vypneme RV, vyjmeme kovovou desku a přisuneme RV k okraji základové desky TV monitoru. Ten zapneme bez vstupního signálu (pouze svítí obrazovka). Zapneme RV a měříme napětí (elektrické pole) v závislosti na vzdálenosti RV od TV. Pomocí konstant na přístroji převedeme měřené napětí na hodnoty intenzity el. pole. Měření opakujeme se změněným nebo úplně staženým jasem TV. Po měření TV monitor vypneme.
  4. Do drážky pro vzorky vkládáme postupně desky z polymetylmetakrylátu, polyvinylchloridu, polystyrenu a polytylenu a měříme intenzitu elektrického pole v závislosti na vzálenosti RV od měřené desky. Pokud není na deskách a fóliích reziduální náboj, uvolníme jej triboprocesem. Všechna měření zopakujeme 2x až 3x, abychom ověřili časovou stálost náboje.
  5. Naměřené výsledky zpracujeme graficky.
 Schema zařízení.
(obr. 2)

Přístroje a pomůcky:

Rotační voltmetr, základová deska, TV monitor, analogově digitální voltmetr multimetr, desky a fólie z různých materiálů.

Upozornění:

Za chodu RV je zakázáno se k němu přibližovat a vkládat do blízkosti rotační části jakékoliv předměty.

Kontrolní otázky a úkoly:

  1. Ověřte možnosti odstranění reziduálních nábojů na předmětech, popř. jejich odstínění.
  2. Promyslete problematiku absolutních a relativních chyb RV.
  3. Navrhněte objektivní měření elektrostatických polí pomocí RV (tj. bez přítomnosti osoby u zdroje pole).
  4. Jaký vliv má na elektrostatické pole maximální a minimální jas  obrazovky a proč?
  5. Jakou polaritu má plošný náboj na vnější ploše čelního skla obrazovky?
  6. Jaký vliv na reziduální náboje na předmětech má teplota vzduchu a teplota rosného bodu?

Literatura:

  1. Přednáškové texty předmětu Ekologie a ekotechnika
  2. Gábriš M.: Elektrostatiské zariadenia, ALFA Bratislava, 1964
  3. Horevaj M.:Kandidátská práce, ČVUT FEL 1964