碰撞带电现象在日常的生产和生活中经常发生,人们对其的实验研究也有很长时间了,碰撞带电的实验研究主要在实验室进行。
接触带电的本质是两个接触物体表面电荷的转移,电荷转移机理目前有电子转移、离子转移和物质转移等几种假说。弄清楚颗粒带电机理和影响电荷转移因素是分析颗粒静电分布的重要基础。此前,人们已经在这方面取得了一定的研究进展。
Masui[2]通过对不同碰撞速度和碰撞角度下聚合物颗粒与金属平板碰撞的实验,得出了碰撞转移电荷与碰撞接触面积成正比的结论。Yamamoto[3]使用两个法拉第杯测量颗粒碰撞前的初始电荷与碰撞产生的电荷,得出了实验结论碰撞产生的电荷与颗粒初始电荷呈线性关系且碰撞生成电荷与颗粒及平板的功函数有关。Ema[4]使用电容器带电模型,通过实验得到了带电量与滚动接触面积成正比的结论,并且当假设滚动滑动临界角计算得到滑动接触面积,发现滑动面积与带电量有很好的相关性。李桂宣[5]进行了同种材料球、板斜碰带电的实验研究,发现碰撞后小球和斜板两者都会带电,同时得出了球、板碰撞后球的带电量与过程中摩擦面积成正相关的结论。Apodaca [6]做的接触带电实验是用相同材料的绝缘体平板进行的,通过实验发现接触转移电荷量不是与接触面积成正比,而是与接触面积的平方根成正比。Masui[7]在对聚合物颗粒碰撞生成电荷与颗粒初始电荷量的关系的研究中,提出了颗粒碰撞前的初始电荷产生的电场限制了电荷的转移的观点。Watanabe[8]则通过实验研究发现颗粒经过一定程度的碰撞后,电荷就会达到饱和状态,并且指出因碰撞而转移的电荷量会随着颗粒初始电荷增加而减小。
相对于颗粒与壁面的接触或碰撞,颗粒与壁面的摩擦过程相对比较复杂。Elsdon[9]实验研究了球体和绝缘薄板之间滚动和滑动接触带电特性,得出了结论:单位长度上的电荷密度与法向接触力的平方根成正比关系。Zhang[10]关注聚合物与钢的摩擦带电特性,通过实验发现电荷密度随着名义面积的增加而增加,但决定电荷密度的关键因素为接触应力。姚军[11]的实验,是用单颗粒与金属板进行重复的滑动摩擦,观察其带电特性,研究了颗粒滑动过程中颗粒形状、相对湿度及表面粗糙度等关键因素对静电产生的影响。Ireland[12]建立了具有不同圆度比的椭圆形颗粒与平坦表面动态接触带电的简单二维模型,分析了滑动、滚动和翻滚等不同接触模式的带电特性,认为摩擦所做功增加了接触表面的接触电位差,驱动更多的电荷从接触表面转移。
关于同种材料之间的摩擦带电现象,Shaw[13]认为是由于不对称摩擦产生不同的表面应变,进而引起电荷转移现象。Henry[14]对于试样在平板上滑动摩擦导致电荷转移的现象,是由于滑动摩擦发热而产生的温差。相反,Lowell[15]的实验结果表明,电荷转移与滑动速度和温差无关,而与接触表面的电子态和滑动距离有关。Sow[16]指出材料应变在接触带电中占主导地位,并且可以改变接触带电中电荷转移的方向。
包能能[17]开展了同种材料颗粒碰撞电实验,给出了塑料的碰撞电序列,发现密度对碰撞电量存在一定影响;碰撞冲击速度在切向和法向的分量对碰撞电有不同的影响。孙德文[18]发现玻璃试件断裂两块后所带电荷量大小相等符号相反,且与试件宽度成正比,随厚度增加而增大玻璃滑块的带电量与其滑动的距离成正比。
谢莉[19]对相同材料的玻璃球在不同的环境相对湿度条件下碰撞时发生的接触带电进行了实验研究,发现改变湿度水平,单次碰撞球体上的净电荷显着改变; 在低湿度下,电荷随着湿度的增加而增加,然后在高湿度条件下减少。并提出了一种模型,该模型产生与实验数据一致的预测,还揭示了接触带电如何受温度和表面吸收能量的影响。此外,谢莉[20]等人开发了一种用于电荷测量的仪器,可以研究由于两个球体之间的单次碰撞引起的碰撞接触带电,同时记录碰撞后球体的运动轨迹,以计算回弹角度。
参考文献:
[1] 肖翠微.煤粉爆炸特性与煤粉仓防爆措施研究[J].煤炭科学技术, 2016, 8(44):188-192.
[2] Masui N, Murata Y. Electrification of polymer particles by impact on a metal plate [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1983, 22(6):1057-1062.
