© Альтшуллер Г.С., Горин Ю.В., "Техника и наука", 1981, №7. – С. 17-18.
ОТТАЛКИВАЮТСЯ – ПРИТЯГИВАЮТСЯ

7.1. ВВЕДЕНИЕ

7.1.1. Как все просто! Существуют два рода электрических зарядов, положительные и отрицательные, причем заряды одинакового знака взаимно отталкиваются, а противоположного - притягиваются. В наши дни это всего лишь будничный факт начальной физики, не больше. А ведь какое впечатление произвело на современников открытие "стеклянного" и "соляного" зарядов! В 1733 г. Шарль Франсуа Дюфе сделал доклад в Парижской Академии наук, показал простенькие опыты - и это вызвало подлинную сенсацию: а вдруг все нерешенные научные проблемы можно свести к игре зарядов?! Какое-то время казалось, что найден прямой и короткий путь к познанию всех тайн природы. Посмотрев опыты Дюфе, король Людовик XV высказался в том смысле, что теперь, надо полагать, будет постигнута и таинственная природа любви...

Увлечение открытием Дюфе быстро прошло, но в наши дни, четверть тысячелетия спустя, можно констатировать, что надежды, возлагаемые на это открытие, в общем, оправдались (хотя природа любви осталась столь же таинственной, как и во времена Людовика XV). Опыты Дюфе закономерно вели к исследованиям Кулона, Гальвани, Вольта, Петрова... Постепенно возникало учение об электричестве, и держалось это учение - как опрокинутая пирамида - на острие изначальных опытов по отталкиванию - притягиванию.

7.1.2. И вот что интересно. Даже сегодня среди бесчисленных применений электричества можно легко выделить линию технических решений, основанных на все том же отталкивании-притягивании. Порой это очень изящные решения! Вот пример. Давным-давно известно искусственное опыление растений методом обдувания. Однако растения за сотни миллионов лет эволюции научились сопротивляться внешним воздействиям: дуй на цветок сколько хочешь, он не раскроется... Как же быть? Поколения школьников и студентов рассматривали в учебниках (и в натуре), как раздвигаются одноименно заряженные лепестки электроскопа, но только в 1980 г. выдано а. с. № 755247: лепестки цветка "раскрывают посредством воздействия на них электрического заряда". Красоту этого решения мог бы, пожалуй, оценить и Шарль Франсуа Дюфе: по должности он был директором ботанического сада. А вот почему так запоздало изобретение - об этом думать нам...

7.2. ДЕВИЗ: УПРАВЛЯТЬ ЛЮБЫМИ ЧАСТИЦАМИ В ЛЮБОЙ СРЕДЕ

7.2.1. С позиций ТРИЗ обилие и изящная простота технических решений типа "отталкиваются-притягиваются" объясняется легко. Есть одно вещество (или два невзаимодействующих) - осколок веполя. Мы переходим к полному веполю - двум взаимодействующим веществам, управляемым электрическим полем. Постройка веполя без введения дополнительных веществ почти всегда дает простые и сильные решения. Пример: патент Японии 13171 на способ добавки порошкообразных металлов в жидкую сталь. Порошок заряжают положительно, сталь - отрицательно. Результат: увеличивается насыщение стали порошком, уменьшаются потери.

7.2.2. Возможность обойтись без введения посторонних веществ особенно важна, если приходится работать с биологическими объектами. Мы это уже видели на примере с опылением цветов. Другой пример: а. с. 454488 на способ определения знака и величины заряда семян по отклонению их в электростатическом поле. Аналогично ведут и сортировку грены тутового шелкопряда (а. с. 554850).

7.2.3. Одна из главных тенденций развития технических систем - переход к работе со все более и более мелкими частицами. Идет процесс миниатюризации рабочих органов машин. Дробятся и вещества, с которыми машины работают. Электростатика позволяет управлять множеством мелких вепольных систем - в этом ее сила. Типичнейший пример: а. с. 120753 на способ получения бетона, отличающийся тем, что цемент и воду, распыленные механическим способом в виде аэрозолей, подвергают дальнейшему дроблению с одновременной зарядкой униполярным электричеством, затем два распыленных и противоположно заряженных потока цемента и воды подают в реактивную камеру. Изобретение сделано в 1959 г. Одиннадцать лет спустя выдано а. с. 259019 на способ коагуляции аэрозолей: пылевой поток разделяют на две части... словом, все по тексту а. с. 120753. Еще через шесть лет в а. с. 517799 предложено заряжать частицы сыпучего материала - для изменения плотности их потока при дозировании... Таких изобретений-близнецов очень много. Плагиат? Нет. Просто все эти технические решения основаны на одном и том же физическом эффекте,
используемом в чистом виде: тут, как говорится, ни прибавить, ни убавить...

7.2.4. И все-таки, если вспомнить способ опыления растений, надо отметить: даже прямое применение электростатики может давать решения оригинальные, неожиданные. Создан, например, двухслойный материал: внутренний слой электризуется в обратной зависимости от температуры - это сказывается на состоянии внешнего слоя, напоминающего перья птиц. Зимой одежда из такого материала становится пушистой - перья топорщатся, отталкиваясь друг от друга. Летом перьевой слой плотно прилегает к основе.

7.2.5. Порой удивляет и размах изобретений. По а. с. 456383 на вершину молниеотвода подают "высокий потенциал с полярностью, противоположной полярности молний". Авторы вполне могли бы воскликнуть: "Ну, молния, погоди!.."

7.2.6. Все приведенные выше технические решения относятся к движению частиц в газовой среде. Разумеется, среда может быть и жидкой. Так, по а. с. 768454 с помощью электрических зарядов управляют полимеризацией веществ в растворе. Среда может быть и твердой, если в ней есть поры: мелкие заряженные частицы пройдут сквозь такую среду. По а. с. 306606 для декоративной отделки в бетонную смесь вводят заряженный краситель, а металлическую форму подключают к полюсу, противоположному по знаку с зарядом частиц добавки. В патенте США 3748535 притяжением заряженных частиц почвенной влаги охлаждают врытый в землю бак трансформатора.

7.2.7. Итак, управление любыми частицами в любой среде. По а. с. 562418 "засаливание" абразивного круга предотвращают, заряжая круг и обрабатываемые детали одноименными зарядами. Патент США 3562509 предлагает аналогичную защиту солнечных отражателей: пылинки обычно заряжены положительно, отражателю тоже придают положительный потенциал. По а. с. 574246 мелкие частицы помещают в конденсатор, нижней обкладкой которого служит металлическое сито. Перезаряжаясь на обкладках, частицы прыгают вверх-вниз; сито не забивается, интенсивнее идет просеивание. Подобные "прыжки с перезарядкой" можно использовать для обработки поверхности - как за счет механического действия частиц, так и за счет электрических разрядов, возникающих при приближении частиц к поверхности изделия. Кстати, разряды сопровождаются световой вспышкой, интенсивность которой зависит от величины заряда, а величина заряда - от размеров частиц; отсюда способ определения этих размеров (а. с. 272663).

7.2.8. Заряды на обкладках конденсатора не только притягиваются или отталкиваются, они втягивают в "игру" и частицы среды. На этом основано, например, а. с. 497106: металл можно охладить (за счет интенсификации движения воздуха), зарядив его положительно, а расположенную над ним металлическую пластину - отрицательно.

7.3. СИЛЬНА ЭЛЕКТРОСТАТИКА

7.3.1. Всем известен простой опыт: наэлектризованный предмет притягивает незаряженные частицы (расческа - кусочки бумаги). Это - прототип множества технических решений, использующих электростатическую индукцию. Так, по патенту ГДР 105340 электростатическая индукция вырабатывает сигнал - предупреждение об опасном приближении транспортного средства к источнику высокого напряжения.

7.3.2. Нейтральное тело вытянутой формы, помещенное в электростатическое поле, из-за электростатической индукции превращается в диполь; поле стремится этот диполь повернуть и вытянуть вдоль силовой линии; в неоднородном поле диполь еще и вытягивается в область повышенной напряженности поля. На этом основана, например, сепарация диэлектрических волокон в неоднородном поле (а. с. 446315). И а. с. 563437 на способ сушки меховых шкурок в электростатическом поле: волоски "становятся дыбом"... Другие примеры: электростатическое втягивание в конденсатор заслонки дозатора жидкости (а. с. 493641), управление потоком волокон (а. с. 638656), интенсификация процессов полимеризации (а. с. 563427, 597368 и др.).

7.3.3. Электростатические силы могут неясно переносить почти невесомые частицы. Но это отнюдь не означает, что те же силы не в состоянии создавать больших давлений. Электростатика весьма сильна!.. Если полимерную пленку, помещенную на чистую поверхность металла, зарядить электричеством одного знака, то в результате индукции под пленкой появятся заряды другого знака, и возникшие силы притяжения плотно прижмут пленку к металлу. Произойдет "бесклеевое склеивание". Даже после саморазряда пленки давление адгезии может составлять несколько атмосфер. Это явление использовано в а. с. 311241: при глянцевании фотографии электростатика - без всяких механических накатывающих устройств - плотно и равномерно прижимает снимки к металлу. По а. с. 469030 радиус изгиба пленочного солнечного концентратора регулируют подачей электростатического потенциала.

7.3.4. Электростатические силы используют для безопорной подвески роторов гироскопов. Примеры: патент ФРГ 2150266, патенты США 3495465 и 3496750, патент СССР 429958 на электростатический акселерометр. Электростатическая подвеска - в отличие от всех других видов подвески - безтормозная. Для гироскопов это очень важно, и такая подвеска гироскопов появилась бы давно, если бы не уверенность, что "этого не может быть", поскольку есть теорема Ирншоу, согласно которой стационарная подвеска в электростатическом поле невозможна. Как часто бывает в технике, оказалось, что можно накормить волков и сохранить овец: ввели систему слежения и обратной связи. Теорема Ирншоу сохранила свою силу, а безопорные гироскопы стали работать вполне устойчиво.

7.4. ЕСЛИ К ПЛЮСУ ПРИБАВИТЬ МИНУС...

7.4.1. Сильна электростатика. Но именно поэтому иногда она бывает вредной. Человек, гуляя по синтетическому ковру, может зарядиться до 20 кВ и набрать энергию порядка 20 мДж. Эта энергия способна вызвать электрический разряд с довольно опасными последствиями, ибо порог чувствительности для человека - всего около 1 мДж, а для воспламенения многих пылегазовых смесей достаточно от 0,005 до 0,1 мДж. Патентная информация по борьбе со статическим электричеством весьма обширна. Прежде всего, это способы компенсации возникающих зарядов. Плюс, прибавленный к минусу, тут не просто ноль, а ликвидация статического электричества... Примеры: а. с. 518877, 451293, 465761 и др. Немало изобретений посвящено борьбе со статическим электричеством, созданию путей для его отвода, утечки (патент США 3757164, патент Франции 2204979, а. с. 505753 и др.).

7.4.2. Заряды (предположим, заряженные капельки краски) ринулись к изделию. На поверхности изделия образуется заряженный слой, отталкивающий летящие вслед капельки. Покрытие получается рыхлым. Как быть? Задача несложная. Нужно поочередно подавать "кванты" капель разной полярности (а. с. 240505, 260154, 418220, 544935 и др.). Один слой плотно впечатывается в другой: сумма плюса и минуса в этом случае равна увеличению прочности.

7.5. РАЗБОР ТИПИЧНОЙ ЗАДАЧИ

7.5.1. На тонкую пленку из полистирола напылен тончайший слой алюминия. Требуется определить силу адгезии между полистиролом и алюминием. ИКР, идеальный конечный результат: "Внешняя среда сама отделяет слои друг от друга, причем отделяющая сила нарастает постепенно и легко поддается измерению". Даны два вещества, значит, для постройки вепольной системы необходимо ввести поле. Ответ: полистироловую пленку и алюминий заряжают одноименными зарядами. Электростатическая сила отталкивания в общем случае пропорциональна квадрату напряженности поля и потому зависит от величины заряда. Постепенно увеличивая заряд, можно получить "шелушение" напыленного металлического слоя. К моменту начала "шелушения" сила электростатического отталкивания равна силе адгезии.

7.6. ЗАДАНИЕ "НА ДОМ"

7.6.1. На электронном микроскопе изучают лунку, образующуюся на поверхности поршня в результате электроразряда. Поместить поршень в микроскоп нельзя, поэтому с лунки делают "реплику" - углеродистый слепок. Чтобы "реплика" хорошо копировала лунку, она должна прилегать к ее поверхности очень плотно. А чтобы "реплику" можно было легко отделить, не повредив, адгезия должна быть предельно малой. Ваше решение?

7.6.2. Нужна заслонка, регулирующая теплообмен между двумя отсеками аппарата, соединенными "дыркой". Площадь "дырки" - 100 см2. Стенка вокруг "дырки" абсолютно недоступна для размещения каких-либо механизмов, их можно поместить только в самой "дырке". Энергопотребление должно быть близко к нулю. Что вы предлагаете?

7.6.3. Чтобы замороженное мясо не теряло воду (потеря воды резко ухудшает качество), говяжью тушу окутывают защитной "шубой" инея. Устраивают в холодильной камере туман, и мельчайшие капельки воды оседают на туше. К сожалению, на образование "шубы" нужно много времени. Разумеется, вы сразу же догадались: на туше должны быть заряды одного знака, на капельках - другого. Прекрасно! Нас интересует другой вопрос, связанный с повторением пройденного: как зарядить маленькие капельки? Ведь не будешь заряжать каждую в отдельности...

ТАБЛИЦА ВОЗМОЖНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ СИЛ