Как создать электростатическое поле для выращивания

Моделирование электрического поля в грунте, созданного системой заряженных металлических штырей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Куценко Юрий Николаевич

Моделирование стационарного электрического поля , создаваемого при помощи системы электродов, взаимодействующего с семенами и корневой системой растений, является теоретической основой для развития электротехнологий, предназначенных для выращивания овощных культур защищенного грунта. Статья посвящена теоретическому обоснованию ряда утверждений: рациональная система расположения металлических штырей, которые играют роль электродов; величина напряжения, приложенного к электродам; смещение растений от оси между металлическими штырями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Simulating the electric field in the soil created by charged metal dowels system

The work is devoted to modeling of the electric fields in greenhouses for production of vegetable crops. Theoretically justified system of the metal dowels arrangement, the value of the voltage applied to electrodes, displacements of plants from axis between the metal dowels are considered.

Текст научной работы на тему «Моделирование электрического поля в грунте, созданного системой заряженных металлических штырей»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ГРУНТЕ, СОЗДАННОГО СИСТЕМОЙ ЗАРЯЖЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШТЫРЕЙ

Моделирование стационарного электрического поля, создаваемого при помощи системы электродов, взаимодействующего с семенами и корневой системой растений, является теоретической основой для развития электротехнологий, предназначенных для выращивания овощных культур защищенного грунта. Статья посвящена теоретическому обоснованию ряда утверждений: рациональная система расположения металлических штырей, которые играют роль электродов; величина напряжения, приложенного к электродам; смещение растений от оси между металлическими штырями.

Ключевые слова: электрическое поле, система электродов, моделирование, овощные культуры.

Key words: electric field, electrode system, modeling, vegetable crops.

Исследованием возможности воздействия низкоинтенсивных электромагнитных полей на семена растений занимались активно еще в конце прошлого столетия. Так, в работе Э.А. Каменира (1994) систематизированы исследования по определению реакции семян на воздействие широкого диапазона [1]. Автор придерживается принципа общего воздействия ЭМП различных частот — от 0 (постоянное электри-20

ческое поле) до 10 Гц (гамма-излучение). Реакция семян на физическое воздействие объясняется на основе теории раздражения, аналогично той, какая применяется в нейрофизиологии [2]. На основе представления неспецифичности реакции семян на различные виды физического воздействия рассматривались испытания по активизации пшеницы (озимая, яровая), ячменя, кукурузы, гороха, гречки [3].

Количественной характеристикой взаимодействия физического воздействия с биологическими объектами является количество поглощенной энергии — доза. При определении дозы возникают сложности, которые связаны с необходимостью проведения многофакторных экспериментов, по-

этому была разработана методика теоретического расчета величины поглощения энергии семян в постоянном электрическом поле [4]. Исследования моделей электротехнических систем, создающих стационарные электрические поля с заданной конфигурацией, являются актуальными.

Работы, направленные на обоснование математической модели воздействия стационарного электрического поля на биологические объекты, имеют разнонаправленный характер. Следует предположить, что в основе механизма биологического действия электрического поля лежит взаимодействие поля с веществом, т.е. атомными ядрами и электронами. Существующие исследования подтверждают возможность воздействия с помощью внешних электрических полей на процессы, происходящие на клеточном уровне [5, 6]. Одной из задач в данном направлении является обоснование параметров стационарного электрического поля для воздействия на корневую систему растений.

Работа направлена на обоснование математической модели для создания электротехнической системы, создающей ста-

ционарное электрическое поле в защищенном грунте.

Рассмотрим вначале стационарное электрическое поле, создаваемое двумя металлическими штырями. Будем считать, что на штыри подается одинаковый по величине, но противоположный по знаку потенциал + и и -и. В отличие от рассмотренной выше задачи в данном случае создается перепад напряжений между штырями, что повлечет за собой возникновение токов, текущих между ними в почве. Однако, если грунт сухой, то его относительная диэлектрическая проницаемость е2 лежит в пределах 3. 6, а удельная проводимость а — в пределах 10″5. 10″3 См/м; для влажного грунта е2 лежит в пределах 10. 30, а а — 10″3. 10″2 См/м; [7]. Следовательно, величина текущего между штырями тока до-

статочно мала, чтобы создавать существенное магнитное поле и оказывать достаточное влияние на величину существующего между штырями стационарного электрического поля.

Пусть в почву погружены два металлических штыря с одинаковыми радиусами г0, оси которых для простоты лежат на координатной оси ОХ и равноудалены от начала координат (рис. 1). Такое расположение начала координат не является принципиальным, но дает возможность получить более простые аналитические выражения для потенциала и напряженности создаваемого стационарного электрического поля.

Поскольку создаваемые различными источниками электрические поля обладают свойством суперпозиции, то потенциал поля находится из выражения

Рис. 1. Расположение двух параллельных заряженных штырей в плоскости,

перпендикулярной их оси

В приведенных выражениях (1), (2) ваемой на рисунке 1 системы штырей по-

тенциал и напряженность электрического

гт г поля выглядят следующим образом:

п — четное. Таким образом, для рассматри- ^ ^

Влияние электрических полей на растения Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Богатина Н.И., Шейкина Н.В.

Представлен обзор литературных данных о влиянии электрических полей на растения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние электрических полей на растения»

Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 24 (63). 2011. № 1. С. 10-17.

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА РАСТЕНИЯ

Богатина Н.И.1, Шейкина Н.В.2

1Физико-технический институт низких температур НАН Украины, Харьков, Украина

2Национальный фармацевтический университет, Харьков, Украина

Представлен обзор литературных данных о влиянии электрических полей на растения. Ключевые слова: электрическое поле, гипомагнитное поле, электромагнитное поле.

Влияние экранирования ЭП земли на растения

Электрическое поле (ЭП) атмосферы Земли является одним из факторов среды обитания. В естественных условиях биологические объекты находятся под его непрерывным воздействием. Оно действовало на наземные организмы на всем протяжении эволюции со времени выхода жизни на сушу. Однако в современной жизни человек часто сталкивается с условиями, в которых естественное ЭП атмосферы может экранироваться или искажаться, например: металлическими крышами домов, железобетонными зданиями, средствами транспорта и т.д. ЭП отсутствует также в подводных лодках, космических кораблях, где растениям в будущем отводится важная роль для регенерации газового состава, а также для пополнения продуктов питания [1]. Поэтому вопрос о биологической роли природных ЭП в жизни организмов и, в частности, растений является актуальным.

СЭП атмосферы Земли не имеет горизонтальной составляющей, поэтому выявить его влияние при помощи ориентации, как это было в случае биообъекта в ГМП, не представляется возможным. Остается, по крайней мере, два пути обнаружения действия этого поля. Первый — это экранирование растений от СЭП с помощью различных экранов. При этом контроль обычно проводился в обычных условиях вне экрана. Однако в настоящее время не существует экранов, которые экранировали бы только СЭП, не искажая других полей. Очевидно, что при такой методике эксперимента не получается изучать в «чистом виде» влияние СЭП атмосферы Земли. Второй путь — это моделирование этого поля путем создания искусственных СЭП с напряженностью СЭП атмосферы Земли в экранированных условиях. Однако основная масса экспериментов выполнена по первой методике. Рассмотрим результаты имеющихся немногочисленных опытов с растениями, экранированных с помощью различных экранов.

Шидловская и Журбицкий [2] выращивали кукурузу под заземленной металлической сеткой, которая имела ячейки 3.5х3.5см, освещенность при этом снижалась незначительно. Контролем служили свободно растущие растения на

открытой грядке. Оказалось, что кукуруза под сеткой росла хуже и развивалась медленнее, плохо усваивала минеральные элементы.

Однако не все растения одинаково реагируют на экранированное ЭП. Под сеткой сырой вес кукурузы составлял 72 %, а редиса 123 % от контроля [3].

В работе [4] изучали движение листьев фасоли при экранировании естественного ЭМП густой латунной сеткой. Выращивание растений в таком экране с момента посева приводит к постепенному исчезновению начального ритма движения листьев, а в дальнейшем наблюдалась тенденция к прекращению движений. В то же время при переносе растений из обычных условий в экран различия были выражены менее значительно. У растений, выросших в экране, листья фасоли раскрывались на 2-5 дней позднее, площадь их уменьшалась, а длина корешков увеличивалась. В работе высказано предположение, что одним из датчиков времени и синхронизации суточных ритмов движений листьев фасоли могут быть колебания ЭМП Земли. К сожалению, используемый экран был тесен для растений, так что иногда приходилось их подрезать. К тому же, автор не привел ни коэффициент экранирования МП экраном, ни величины магнитных индукций остаточных МП в нем.

В опытах Новицкого [5] был исследован баланс СО2 у укоренившихся веточек традесканции в свинцовом экране и в обычных условиях в темноте на протяжении нескольких часов. Обнаружено, что у экранированного растения ход кривой выделения СО2 гораздо более плавен и однозначен, чем у неэкранированного.

Результаты приведенных работ говорят о том, что, во всяком случае, нельзя сбрасывать со счетов значение ЭМП атмосферы в жизни растений.

Влияние искусственного ЭП на растения

В процессе производственной деятельности человек часто попадает в условия со значительным понижением ЭП (например, в текстильной, деревообрабатывающей, электротехнической промышленности). В быту одежда, обувь, изготовленные из синтетических материалов, тоже являются источниками повышенных и неоднородных ЭП. В связи с широким применением электричества в народном хозяйстве растения также часто попадают в условия с повышенным ЭП. Например, растут вблизи высоковольтных линий электропередач. Поэтому актуальна проблема воздействия искусственных ЭП на растения. Ее решение может выявить роль естественных ЭМП в жизни растений.

ЭП делятся условно на слабые с напряженностью 1-104 В/м, сверхслабые -ниже 1 В/м и сильные — выше 104 В/м [6].

Влияние искусственного ЭП на растения изучено недостаточно, особенно это касается слабых и сверхслабых полей. Исследования в этом направлении должны дать ответ о величине порога чувствительности растений к ЭП и об уровне его вредного воздействия.

Многие исследователи отмечают, что в зависимости от применяемой напряженности ЭП можно получить эффект усиления или угнетения роста растений и прорастания семян.

Так, например, ЭП напряженностью от 500 В/м до 2500 В/м не изменяет всхожесть семян хвойных пород [7]. Однако при увеличении напряженности до

200 кВ/м всхожесть и энергия прорастающих семян падает на 30-40. Недостатком этой работы является то, что в ней не указаны величины напряженности и всхожесть в контроле.

В опытных вариантах луковицы лука репчатого обрабатывались в ЭП коронного разряда напряженностью 200 кВ/м (величина тока разряда не приведена) с экспозицией 0.5-40 с [8]. Эффективность обработки определяли по таким показателям: число, высота, и суммарная длина листьев на одном растении, ширина листовой пластины, общая масса, сырой и сухой вес листьев с одного растения. Результаты опытов свидетельствуют о существовании стимулирующего и угнетающего действия ЭП на растения. При высадке луковиц лука в день обработки стимулирующий эффект наблюдался при экспозиции 2 с, а угнетающий — 20-40 с. У растений, высаженных на десятые сутки, наблюдался максимальный положительный эффект, который автор объясняет влиянием ЭП, обеспечивающим снятие периода покоя и активацией ростовых процессов у растений лука репчатого на этапе 113 органогенеза. При выгонке лука-репка на перо в осенне-зимний период автору удалось уменьшить процент не проросших луковиц с 15-18 % до 5 % за счет выведения их из состояния покоя. Кроме этого, ЭП обеспечивало более раннее прорастание и получение зеленой продукции (на 4-6 дней). При этом увеличивается длина и ширина листьев, их количество и вес на 15-38% по отношению к контролю.

Полигонные исследования и экологические наблюдения под линиями ЛЭП дали интересные результаты. В полигонных экспериментах при ЭП с напряженностью 15-60 кВ/м (50 Гц) на поверхности земли обнаружено уменьшение общей численности беспозвоночных под линией, при 60 кВ/м (50 Гц) — разряжение травостоя и замедление темпов развития растений на 10-20 %. После 10-летней эксплуатации ЛЭП (500 кВ, 50 Гц) при ЭП на поверхности земли 10-14 кВ/м обнаружено повышение частоты аберраций (до 20 %) у некоторых видов растений, зависимость высоты вегетативных побегов травостоя от напряженности ЭП под ЛЭП, повышение тератологических изменений цветков двух видов растений [9].

Эффективность воздействия ЭП на биологические объекты, как и при применении других физических факторов, существенно зависит от физиологического состояния организма. Так в [10] показано, что биологическое действие ЭП промышленной частоты зависит от физиологического состояния гриба Botrytic cinerea. К сожалению, авторы не указали напряженность ЭП примененного в работе.

ЭП промышленной частоты напряженностью приблизительно 100 кВ/м проявляет мутагенное действие на культуру дрожжей Candida tropicalis в физиологическом растворе [11]. Оно позволяет значительно повысить выход морфологических мутантов, характеризующихся большей продуктивностью по сравнению с исходной культурой.

Установлено, что ЭП с напряженностью 550 кВ/м, воздействуя на проростки томатов, вызывает незначительное увеличение хромосомных нарушений в анафазе митоза [12]. При этом наибольшая частота аберраций достигает 1.55 % при 0.61 % в контроле.

Комбинированная обработка семян хлопчатника ЭП коронного разряда (напряженность ЭП не указана) и влиянием температурных факторов привела к получению к получению ряда хозяйственно-ценных мутантов [13].

ЭП напряженностью 600 кВ/м с экспозицией 1-3 с повышает полевую всхожесть семян яровой пшеницы на 17-22 % в зависимости от их сортовых особенностей, существенно увеличивает энергию прорастания (табл. 1), водопоглотительную способность (табл. 2), интенсивность дыхания проростков (табл. 3) и продуктивность фотосинтеза растений (табл. 4) [14]. При этом заметно увеличивается высота растений, длина и число колосков, озерненность и абсолютный вес семян. Кроме того, растениям свойственна и более высокая весенняя выживаемость, поэтому повышается сбор зерна и соломы с единицы площади.

Влияние предпосевной электрообработки на энергию прорастания и всхожесть семян яровой пшеницы разных сортов

Сорт Энергия прорастания, % Всхожесть, %

контроль электрообработка контроль электрообработка

Саратовская 33 35.3 77.7 98.6 100

Саратовская 35 18.5 77.7 86.1 97.9

Харьковская 45 41.3 78 90 98

Комета 2 30.6 49.3 94 100

Красноуфимская 3 27 69 96 99

Поглощение воды семенами яровой пшеницы Саратовская 33 спустя 2 часа от

Вариант опыта Процент к контролю, %

Предпосевная обработка семян в поле коронного разряда

Посев в день обработки 109

Обработка — посев 12 день 154

В результате обработки семян ЭП коронного разряда урожай хлопка-сырца, посаженного на площади 600 га, увеличился в среднем на 0.1 ц. с га. [13].

Предпосевная обработка семян в ЭП напряженностью 400 -500 кВ/м не только увеличивает урожайность, но и улучшает качество продукции нового урожая: повышается процентное содержание белка в зерне пшеницы на 0.55-5.7 % и витамина С на 0.6-5.6 % в картофеле; сахара на 0,3-0.5 % в корнеплодах сахарной свеклы [15].

Влияние предпосевной обработки семян яровой пшеницы Саратовская 33 в электрическом поле на интенсивность дыхания двухдневных проростков

Вариант опыта СО2, мг на 100г сухого веса % к контролю

Контроль 9.45 100

Предпосевная обработка семян в ЭП коронного разряда

Посев в день обработки 9.72 103

Обработка — посев 12 дней 16.18 170

Обработка — посев 20 дней 13.69 145

Предпосевная обработка семян в электростатическом поле

Обработка — посев 12 дней 16.22 170

Влияние предпосевной обработки семян на продуктивность фотосинтеза

Вариант опыта г/м2 в сутки

Предпосевная обработка семян в ЭП

коронного разряда. Обработка — посев 12 8.5

Предпосевная обработка семян в

электростатическом поле. Обработка — 9.08

Сообщается, что путем изменения величины и знака потенциала платинового электрода, подведенного к растению через питательный раствор, можно влиять на поглощение углекислоты листьями кольраби и ячмене [16]. При понижении отрицательных потенциалов от 100 до 2500 В она плавно увеличивается в опытах с кольраби от 107 % до 162 % соответственно. С подачей на кольраби таких же положительных потенциалов фотосинтез снижался до 91% и 33% соответственно. Аналогичные результаты были получены и на листьях ячменя. Такие изменения ЭП наблюдаются в атмосфере перед грозой [17, 18] и, по мнению автора, могут оказать влияние на фотосинтез.

Значение ЭП атмосферы оказывает влияние на минеральное питание растений [2]. При положительном заряде атмосферы помидоры поглощали больше анионов, а при отрицательном — катионов, причем в первом случае увеличивалось поглощение анионов в 1.3 раза, а во втором случае поглощение катионов в 2.5 раза.

Исследование влияния неоднородных ЭП и МП на изгиб колеоптилей проростков овса на клиностате показало, что в МП с магнитной индукцией 0.1020 и

0.0556 Тл изгиб составлял 10.44о (в контроле — 15.15о). В ЭП напряженностью 25.8123 кВ/м полностью устраняло изгиб [19].

Таким образом, анализ перечисленных выше работ показал, что сильные ЭП могут оказывать влияние на прорастание семян и рост растений.

В ряде работ на примере суспензии пурпурных мембран и бактериородопсина показано, что в ЭП напряженностью ~ 107 В/м у них возникает поляризационное состояние, которое можно зафиксировать низкой температурой (-80, -60, -30° С)

[20]. Последующее нагревание препарата при выключенном поле приводит к последовательной релаксации смещенных групп, которую можно наблюдать в виде токов, протекающих во внешней измерительной цепи. По мнению авторов, поляризация приводит к конфирмационным перестройкам, что в свою очередь сказывается на скорости активного транспорта ионов в мембране, а следовательно, и ее проницаемости. В последнее время ЭП коронного разряда напряженностью 2-105 В/м рассматривают как фактор воздействия, обеспечивающий снятие периода покоя и активацию ростовых процессов у растений лука репчатого, находящегося в состоянии покоя (на 113 этапе органогенеза) [8]. Однако по нашему мнению в этом случае на растения в основном действует электрический ток коронного разряда, механизмы влияния которого могут иметь совершенно другую природу. Как полагает Журбицкий [16], аэроиноны углекислоты С02+ и О2+ и другие азот и углерод содержащие ионные комплексы, являются основным звеном, через которое ЭП воздействует на растения. Таким образом, обобщая литературные данные, можно сделать вывод о том, что ЭП естественного и искусственного происхождения могут влиять на рост растений. Между тем остался открытым вопрос о пороге биологического действия этих полей на растения. К тому же до полного понимания механизмов влияния ЭП еще далеко.

Вопросы механизмов влияния ЭП на биологические объекты, в частности, на растения до конца не изучены [21]. Их решение позволит выявить роль природных и эндогенных ЭП в жизни растений. При этом будут определены порог чувствительности и порог вредного действия ЭП на растения.

В настоящее время ведется поиск биофизических, физико-химических и физиологических механизмов действия ЭП на различные биологические объекты

[21]. К сожалению, в литературе содержится очень мало сведений по этому вопросу в отношении растений. Поэтому мы кратко приведем данные о предполагаемых механизмах, полученных не только при исследовании растений, но и других биологических объектов.

По характеру данной диссертации мы ограничиваемся лишь случаями влияния внешних СЭП, так как анализ биологическогодействия ПеЭП является самостоятельным разделом электромагнитной биологии, и нами не изучался.

Кроме этого, мы не затрагиваем вопросы влияния локальных ЭП, неизбежно присутствующих в белковых системах т на кинетику химических превращений и транспорт заряженных частиц (электронов, ионов) в этих системах [22].

В основе биофизического механизма действия ЭП на растительные объекты может лежать явление поляризации тканей этих объектов в ЭП [23]. Оно заключается в том, что в ЭП неполярные молекулы становятся полярными и вместе

с полярными молекулами ориентируются по полю. При этом направление собственных полей молекул всегда противоположно внешнему ЭП, поэтому в диэлектрике электрическое поле всегда имеют напряженность меньшую, чем в вакууме. Величину, которая показывает, во сколько раз поле в веществе слабее внешнего называют диэлектрической проницаемостью,

В результате поляризации с одной стороны поверхности тела будут заряды одного знака, а с другой стороны — противоположного. Эти заряды называют поляризационными зарядами.

По расчету, проведенному в работе [24], ориентация отдельных молекул в ЭП пренебрежимо мала. Она определяется отношением dЕ/kТ, где d — дипольный момент (собственный или индуцированный) молекулы 9 обычно он равен 0.1-5Д. Е -напряженность ЭП, 1к- константа Больцмана, Т — абсолютная температура. Отношение dЕ/kТ характеризует соотношение между энергией, приобретаемой диполем при ориентации в ЭП, и тепловой энергией молекулы. Для молекул в поле напряженностью 107 В/м (такая величина напряженности будет в мембране при скачке потенциала 0,1 В и толщине 10-8 м) отношение dЕ/kТ ~ 0 ,001. Поэтому эффект ЭП пренебрежимо мал. Однако, как полагают авторы, липидные пленки в биологических мембранах по своему физическому строению являются жидкими кристаллами, в которых молекулы образуют правильно построенные домены или рои, состоящие из 106-107 молекул. В этом случае дипольный момент домена будет увеличен в 106-107 раз по сравнению с отдельной молекулой и станет возможной ориентация его в ЭП.

Электрические поля оказывают значительное влияние на рост и развитие разных видов растений.

1. Махоткин Л.Г. Атмосферики и их природа / Л.Г. Махоткин // В кн.: Электромагнитные поля в атмосфере Земли и их биологическое значение. — М.: Наука. — 2004. — С.72-83

2. Шидловская И.Л. Влияние электрического поля и ионов воздуха на минеральное питание и обмен в растениях кукурузы / И.Л. Шидловская, З.И. Журбицкий // Физиология растений. — 1966. — Т.13, №4. — С.657-664.

3. Шидловская И.Л. Влияние электрического поля атмосферы на накопление элементов минерального питания растениями кукурузы, лука, редиса и ячменя / И.Л.Шидловская, З.И. Журбицкий // В сб.: Роль минеральных элементов в обмене веществ и продуктивности растений. — М.: Наука. — 1964. — С. 286-295.

4. Казымов П.П. Движение листьев фасоли в условиях очень слабых электромагнитных полей / П.П. Казымов // Физиология растений. — 1973. — Т.20, №5. — С. 915-919.

5. Новицкий Ю.И. Реакция растений на магнитные поля / Новицкий Ю.И. — М.: Наука. — 1978. -С. 119-130.

6. Чуваев П.П. Влияние слабых и сверхслабых магнитных полей на одноклеточные растения различных ботанических типов и классов / П.П. Чуваев, А.И. Арнаутова, Н.А. Крюков // Тезисы докладов П зонального симпозиума по бионике. — Минск, 1967. — С. 107-108.

7. Стаканов В.Д. Некоторые аспекты действия постоянного электрического поля и тока на древесные растения / В. Д. Стаканов, Л.И. Голомозова // В сб.: Средообразующая роль леса. — Красноярск, 1974. — С. 121-132.

8. Серегина М.Т. Электрическое поле как фактор воздействия, обеспечивающий сжатие периода покоя и активацию ростовых процессов у растений лука репчатого на П3 этапе онтогенеза / М.Т. Серегина // Электронная обработка материалов. — 1983. — №4. — С. 73-76.

9. Карташев А.Г. Экологическая оценка переменного электрического поля ЛЭП / А.Г. Карташев, Г.Х. Плеханов // В сб.: Тезисы докл. Всесоюзного симпозиума «Биологическое действие электромагнитных полей». — Пущино, ОНТИ НЦБИ АН СССР. — 1982. — С. 95-100.

10. Лазаренко Б.Р. Значение физиологического состояния гриба при воздействии электрического поля / Б.Р. Лазаренко, И.Б. Горбатовская // Электронная обработка материалов. — 1970. — №5. — С. 73-76.

11. Действие электрического поля на культуру дрожжей / Б.Р. Лазаренко, Е.И. Квасников, И.Б. Крепис [и др.] // Электронная обработка материалов. — 1970. — №6. — С. 65-70.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Выродов Д.А. Цитогенетические эффекты действия электрических полей на проростки томатов / Д. А. Выродов // Тезисы докладов 4-го съезда генетиков и селекционеров — Кишинев: Штиница, 1981. — С. 8.

13. Мустафаев С.А. Модификация и генетическая изменчивость у хлопчатника от воздействия электрическим полем высокого напряжения / С.А. Мустафаев // В кн.: Экологическая генетика растений и животных. — Кишинев, 1981. — Т.2. — С. 99.

14. Предпосевная обработка семян яровой пшеницы в электрическом поле постоянного тока / З.М. Хасанова, Р.Р. Ахметов, Ш.Я. Гелязетдинов [и др.] // Электронная обработка материалов. -1972. — №4. — С. 71-77.

15. Блонская А.П. Влияние электрообработки сезонного материала на качество продукции нового урожая / А.П. Блонская, А.Н. Миронов, В.А. Окулова // Электронная обработка материалов. -1983. — №6. — С. 71-73.

16. Журбицкий З.И. Влияние постоянного электрического поля на абсорбцию СО2 листьями растений / З.И. Журбицкий // ДАН СССР. — 1975. — Т. 223, №5. — С. 1273-1275.

17. Гунар И.И. Функциональное значение токов действия в изменении газообмена высших растений / И.И. Гунар, А.И. Синюхин // Физиология растений. — 1963. — Т.10, №3. — С. 265-274.

18. Чалмерс Дж.Л. Атмосферное электричество / Чалмерс Дж.Л. — Л. Гидрометеоиздат. — 1974. — 434 с.

19. Pickett J.M. Responses of avena coleoptiles to magnetic fields / J.M. Pickett, A.R. Schrank // Texas J. Sci. — 1965. — V. 17, №3. — P. 243-256.

20. Электроиндуцированные изменения спектральных и структурных характеристик пурпурных мембран, модифицированных папаином / Э. Возари, Г.П. Борисевич, А.А. Кононенко [и др.] // Изв. АН СССР., Серия биол. — 1982. — №4. — С. 605-607.

21. Биологическое действие электростатических полей / Ф.Г. Портнов, Л.Ф. Воробьева, Э.Г. Лярский [и др.] // Успехи современной биологии. — 1985. — Т. 100, № 3(6). — С. 433-440.

22. Тимашев С.Ф. Влияние электрических полей на кинетику биологических процессов / С.Ф. Тимашев // Биофизика. — 1981. — Т.26, №4. — С .642-646.

23. Тамм И.Е. Основы теории электричества / Тамм И.Е. — М.: Наука. — 1989. — 504 с.

24. Бреслер С.Е. О жидко-кристаллической структуре биологических мембран / С.Е. Бреслер, В.М. Бреслер // Докл.АН.СССР. — 1974. — Т. 214. — С. 936-939.

Богатша Н.1 Вплив електричних полш на рослини / Н.1 Богатша, Н.В. Шейкша // Вчет записки

Тавршського национального ушверситету ш. В.1. Вернадського. Серш „Бюлогш, хiмiя». — 2011. — Т. 24 (63),

Представлено огляд лггературних даних про вплив електричних полш на рослини.

KnwHosi слова: електричне поле, гшомагттне поле, електромагштне поле.

Bogatina N.I. Influence of electric fields on plant ./ N.I. Bogatina, N.V. Sheykina // Scientific Notes of

Taurida V.I. Vernadsky National University. — Series: Biology, chemistry. — 2011. — Vol. 24 (63), No 1. —

Provides an overview of published data on the effect of electric fields on plants.

Keywords: electric field, gipomagnetic field, electromagnetic field.

Поступила в редакцию 22.01.2011 г.

Основы электростатического разряда

У греческого ученого Фалеса Милетского встречается самое раннее упоминание об электричестве. Он обнаружил, что если потереть янтарь, то к нему притягиваются пыль и листья. Слово «трибоэлектрик», позже вошедшее в обиход, происходит от греческих слов «трибо», что означает «тереть», и «электрос», то есть «янтарь» (окаменевшая смола доисторических деревьев).

Многие люди испытывают влияние статического электричества или электростатического разряда (ESD), прикоснувшись к металлической дверной ручке после того, как прошлись по ковролину или посидели в кресле с искусственным покрытием. Впрочем, статическое электричество и электростатические разряды веками создавали серьезные проблемы для промышленности. Так, в XV веке в европейских и карибских военных фортах были предусмотрены процедуры статического контроля и заземляющие устройства, чтобы предотвратить случайное возгорание запасов пороха от электростатического разряда. К 1860‑м годам бумажные фабрики по всей территории США использовали основные методы заземления, пламенную ионизацию и паровые барабаны для рассеивания статического электричества с бумажного полотна, проходящего процесс сушки. В ходе любого производственного процесса так или иначе возникают проблемы с электростатическим зарядом и разрядом. Боеприпасы и взрывчатые вещества, нефтехимия, фармацевтика, сельское хозяйство, полиграфия и графика, текстиль, живопись и пластмассы — это лишь некоторые отрасли, где контроль статического электричества имеет большое значение.

Эпоха электроники принесла с собой новые проблемы, связанные со статическим электричеством и электростатическим разрядом. И по мере того как электронные устройства становятся все быстрее, а схемы все меньше, чувствительность к электростатическому разряду в целом увеличивается, и эта тенденция может усиливаться. Дорожная карта технологии электростатического разряда (ESD), разработанная EOS/ESD Association, Inc., пересматривается каждые несколько лет и гласит: «Поскольку устройства становятся более чувствительными, необходимо, чтобы компании начали тщательно изучать возможности ESD в своих процессах обращения с ними». Сегодня электростатические разряды влияют на производительность и надежность продукции практически во всех аспектах глобальной электронной среды.

Несмотря на большие усилия, прилагаемые в течение последних десятилетий, электростатические разряды по-прежнему влияют на производительность, стоимость производства, качество продукции, надежность и прибыльность. Стоимость поврежденных устройств колеблется от нескольких центов за простой диод до тысяч долларов за сложные интегральные схемы. Когда включены сопутствующие затраты на ремонт и переделку, доставку, рабочую силу и накладные расходы, существуют возможности для значительных улучшений. Большинство компаний, занимающихся выпуском электроники, сегодня обращают внимание на основные, принятые в отрасли элементы статического контроля. Сегодня доступны отраслевые стандарты EOS/ESD Association, Inc., которые помогут производителям разработать основные методы снижения и контроля статического заряда. Маловероятно, что любая компания, игнорирующая статический контроль, сможет успешно изготавливать и поставлять неповрежденные электронные компоненты.

Статическое электричество: создание заряда

Электростатический заряд определяется как «электрический заряд в состоянии покоя». Статическое электричество — это дисбаланс электрических зарядов внутри или на поверхности материала. Такой дисбаланс электронов создает электрическое поле, которое можно измерить и которое может влиять на другие объекты. Электростатический разряд (ЭСР) определяется как «быстрая самопроизвольная передача электростатического заряда, вызванная сильным электростатическим полем».

Электростатический разряд может изменить электрические характеристики полупроводникового прибора, ухудшая его параметры или разрушая его. Электростатический разряд также может нарушить нормальную работу электронной системы, вызывая сбои в работе или отказ оборудования. Заряженные поверхности могут притягивать и удерживать загрязнения, затрудняя удаление частиц. При притяжении к поверхности кремниевой пластины или к электрической схеме устройства переносимые по воздуху частицы могут вызывать случайные дефекты пластины и снижать выход продукции.

Управление электростатическим разрядом начинается с понимания того, как он возникает. Чаще всего электростатический заряд формируется при контакте и разделении двух материалов. Материалы могут быть похожими или разными, хотя разные материалы имеют тенденцию выделять более высокий уровень статического заряда. Например, человек, идущий по полу, генерирует статическое электричество, когда подошвы обуви соприкасаются, а затем отделяются от поверхности пола. Электронное устройство, скользящее в сумку, генерирует электростатический заряд, поскольку корпус устройства и металлические выводы создают множественные контакты и разъединения с поверхностью. Хотя величина электростатического заряда может быть разной.

Электростатический заряд, возникающий при контакте и разделении материалов, известен как трибоэлектрический заряд. Он включает перенос электронов между материалами. Атомы материала без статического заряда имеют равное количество положительных (+) протонов в ядре и отрицательных (–) электронов, вращающихся вокруг ядра. На рис. 1 материал A состоит из атомов с равным количеством протонов и электронов. Материал B также состоит из атомов с равным (хотя, возможно, разным) числом протонов и электронов. Оба материала электрически нейтральны.

Трибоэлектрический заряд. Материалы создают плотный контакт

Рис. 1. Трибоэлектрический заряд. Материалы создают плотный контакт

Когда два материала входят в контакт, а затем разделяются, отрицательно заряженные электроны переносятся с поверхности одного материала на поверхность другого. Какой материал теряет электроны, а какой получает электроны, будет зависеть от природы обоих материалов. Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а материал, получающий электроны, заряжается отрицательно (рис. 2).

Трибоэлектрический заряд — разделение

Рис. 2. Трибоэлектрический заряд — разделение

Статическое электричество измеряется в кулонах. Заряд (q) на объекте определяется произведением емкости объекта (C) и потенциала напряжения на объекте (V):

q = CV.

Однако обычно мы говорим об электростатическом потенциале объекта, который выражается как напряжение.

Процесс контакта материала, переноса электронов и разделения — гораздо более сложный механизм, чем описанный здесь. На количество заряда, создаваемого трибоэлектрической генерацией, влияют площадь контакта, скорость разделения, относительная влажность, химический состав материалов, работа выхода поверхности и другие факторы. Как только заряд создается на материале, он становится электростатически заряженным материалом или объектом (если заряд остается на нем). Этот заряд может передаваться из материала — создание электростатического разряда или появления ESD. Дополнительные факторы, такие как сопротивление фактического разрядного контура и контактное сопротивление на границе раздела между контактирующими поверхностями, тоже влияют на фактический высвобождаемый заряд. Типичные сценарии генерации заряда и результирующие уровни напряжения показаны в таблице 1. Также показан вклад влажности в уменьшение накопления заряда. Однако следует отметить, что генерация статического заряда все еще происходит даже при высокой относительной влажности.

Средства генерации	Относительная влажность 10–25%	Относительная влажность 65–90%
Прогулка по ковру	35 000 В	1500 В
Прогулка по виниловой плитке	12 000 В	250 В
Рабочий за верстаком	6000 В	100 В
Полиэтиленовый пакет, взятый с верстака	20 000 В	1200 В
Стул из пенополиуретана	18 000 В	1500 В

Таблица 1. Примеры типичных уровней статического генерирования напряжения

Электростатический заряд может также создаваться на материале другими способами, например индукцией, ионной бомбардировкой или контактом с другим заряженным объектом. Однако наиболее распространенным является трибоэлектрический заряд.

Трибоэлектрическая серия

Когда два материала соприкасаются и разделяются, полярность и величина заряда указываются положениями материалов в трибоэлектрическом ряду. Таблицы трибоэлектрических рядов показывают, как возникают заряды на различных материалах. Когда два материала соприкасаются и разделяются, один из них (ближе к вершине ряда) приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный. Материалы, расположенные дальше друг от друга на столе, обычно генерируют более высокий заряд, чем те, что расположены ближе друг к другу. Эти таблицы, однако, следует использовать только в качестве общего руководства, поскольку в них задействовано множество переменных, которые нельзя контролировать достаточно тщательно, чтобы обеспечить повторяемость. Типичный трибоэлектрический ряд показан в таблице 2.

Положительный (+)	Отрицательный (–)
Мех кролика Стекло Слюда Человеческий волос Нейлон Шерсть Мех Свинец Шелк Ацетатное волокно Алюминий Бумага Хлопок Сталь Древесина Янтарь	Сургуч Никель Медь Латунь Серебро Золото Платина Сера Полиэстер Целлулоид Кремний Тефлон

Таблица 2. Типичный трибоэлектрический ряд

Практически все материалы, включая воду и частицы грязи в воздухе, могут быть трибоэлектрически заряженными. Количество генерируемого заряда, куда он уходит и как быстро, зависит от физических, химических и электрических характеристик материала (рис. 3).

Классификация сопротивления (из ANSI/ESD S541)

Рис. 3. Классификация сопротивления (из ANSI/ESD S541)

Материал, который предотвращает или ограничивает поток электронов через его поверхность или через его объем из-за чрезвычайно высокого электрического сопротивления, называется изоляционным материалом. ESD ADV1.0 определяет изоляционные материалы как «материалы с поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением, равным или превышающим 1×10 11 Ом». На поверхности изолятора может быть образовано значительное количество заряда. Поскольку изолирующий материал не пропускает поток электронов, положительные и отрицательные заряды могут находиться на изолирующей поверхности одновременно, хотя и в разных местах. Избыточных электронов в отрицательно заряженном пятне может быть достаточно, чтобы удовлетворить отсутствие электронов в положительно заряженном пятне. Однако электроны не могут легко проходить через поверхность изоляционного материала, и оба заряда могут оставаться на месте в течение очень продолжительного времени.

Материал, позволяющий электронам легко проходить через его поверхность или через его объем, называется проводящим материалом. ESD ADV1.0 определяет проводящие материалы как «материал с поверхностным сопротивлением менее 1×10 4 Ом или объемным сопротивлением менее 1×10 4 Ом». Когда проводящий материал становится заряженным, заряд (недостаток или избыток электронов) будет равномерно распределен по поверхности материала. Если заряженный проводящий материал соприкасается с другим проводящим материалом, электроны довольно легко распределяются между материалами. Если второй проводник присоединен к заземлению оборудования переменного тока или к любой другой точке заземления, электроны потекут на «землю» и избыточный заряд на проводнике будет нейтрализован.

Электростатический заряд может создаваться трибоэлектрическим способом на проводниках так же, как он создается на изоляторах. Пока проводник изолирован от других проводов или «земли», статический заряд будет оставаться на проводнике. Если проводник заземлен, заряд легко уйдет на «землю». Или, если заряженный проводник контактирует с другим проводником с другим электрическим потенциалом, заряд будет течь между двумя проводниками.

Диссипативные материалы имеют электрическое сопротивление между изолирующими и проводящими материалами. ESD ADV1.0 определяет рассеивающие материалы как «материал с поверхностным сопротивлением, превышающим или равным 1×10 4 Ом, но менее 1×10 11 Ом, или объемным сопротивлением, превышающим или равным 1×10 4 Ом, но менее 1×10 11 Ом. Поток электронов может пройти вдоль или насквозь диссипативного материала, он управляется поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением материала.

Как и в случае с двумя другими типами материалов, заряд может генерироваться трибоэлектрическим способом на материале, рассеивающем статическое электричество. Однако, как и проводящий материал, материал, рассеивающий статическое электричество, позволяет передавать заряд на «землю» или другие проводящие объекты. Перенос заряда от статического материала, рассеивающего статическое электричество, обычно занимает больше времени, чем от проводящего материала эквивалентного размера. Передача заряда от материалов, рассеивающих статическое электричество, происходит значительно быстрее, чем от изоляторов, и медленнее, чем от проводящего материала.

Электростатические поля

Заряженные материалы также имеют электростатическое поле и связанные с ним силовые линии. Электропроводящие объекты, попавшие в это электрическое поле, будут поляризованы в ходе процесса, известного как индукция (рис. 4). Отрицательное электрическое поле отталкивает электроны на поверхности проводящего элемента, который подвергается воздействию поля. Положительное электрическое поле будет притягивать электроны к поверхности, оставляя другие области заряженными положительно. Никакого изменения фактического заряда элемента при поляризации не произойдет. Однако если элемент является проводящим или рассеивающим и подключен к «земле» при поляризации, заряд будет течь от «земли» или на «землю» из-за дисбаланса заряда. Если контакт заземления отключен, а затем электростатическое поле снято, заряд останется на элементе. Если непроводящий объект попадает в электрическое поле, электрические диполи будут стремиться выровняться с полем, создавая кажущиеся поверхностные заряды. Непроводник (изолирующий материал) нельзя заряжать индукцией.

Индукция

Рис. 4. Индукция

ESD-повреждения: как отказывают устройства

Согласно ESD ADV1.0, электростатическое повреждение определяется как «изменение элемента, вызванное электростатическим разрядом, из-за которого он не соответствует одному или нескольким указанным параметрам». Это может произойти в любой момент, от производства до обслуживания на месте. Как правило, повреждение возникает в результате обращения с устройствами в неконтролируемой среде или при использовании неэффективных методов борьбы с электростатическим разрядом. Как правило, повреждение классифицируется как катастрофический отказ или скрытый дефект.

Когда электронное устройство подвергается воздействию электростатического разряда, оно может перестать работать. Событие ESD могло вызвать расплавление металла, пробой соединения или повреждение оксида. Схема устройства необратимо повреждена, в результате чего устройство перестает функционировать полностью или частично. Такие сбои обычно можно обнаружить при тестировании устройства перед отправкой. Если после тестирования произойдет событие ESD опасного уровня, деталь может быть запущена в производство и повреждение останется незамеченным до тех пор, пока устройство не выйдет из строя при окончательном тестировании.

Согласно ESD ADV1.0, скрытый отказ — это «сбой, который возникает после периода нормальной работы. Примечание: отказ может быть связан с более ранним событием электростатического разряда». Устройство, подвергшееся воздействию электростатического разряда, может частично выйти из строя, но при этом продолжать выполнять свои функции. Поэтому выявить скрытый дефект сложно. Тем не менее срок службы устройства может сократиться. Продукт или система, включающие устройства со скрытыми дефектами, могут выйти из строя после того, как пользователь введет их в эксплуатацию. Ремонт таких отказов обычно требует больших затрат, а в некоторых случаях они могут создавать опасность для персонала.

При наличии надлежащего оборудования относительно легко подтвердить, что в устройстве произошел катастрофический отказ, поскольку базовые тесты производительности подтвердят повреждение устройства. Однако скрытые дефекты сложно доказать или обнаружить с помощью современных технологий, особенно после сборки устройства в готовый продукт.

Повреждение ESD обычно вызывается одним из трех событий: прямым ESD на устройство, ESD от устройства или индуцированными полем разрядами. Произойдет ли повреждение чувствительного к электростатическому разряду элемента (ESDS) в результате электростатического разряда, определяется способностью устройства рассеивать энергию разряда или выдерживать соответствующие уровни напряжения. Уровень выхода из строя устройства известен как чувствительность устройства к электростатическому разряду, или восприимчивость к электростатическому разряду.

Событие ESD может произойти, когда любой заряженный проводник (включая человеческое тело) разряжается на предмет. Причиной электростатического повреждения может быть прямая передача электростатического заряда от тела человека или заряженного материала на ESDS. Когда человек идет по полу, на его теле накапливается электростатический заряд. Простой контакт (или близость) пальца к выводам ESDS или узлу, который обычно имеет другой электрический потенциал, может привести к разрядке тела и, возможно, вызвать повреждение ESDS ESD. Модель, использованная для имитации данного события,— это модель человеческого тела (HBM). Подобный разряд может произойти от заряженного проводящего объекта, такого как металлический инструмент или приспособление. Исходя из характера разряда, модель, использованная для описания этого события, известна как машинная модель (ММ).

Передача заряда от ESDS к проводнику также является событием ESD. Статический заряд может накапливаться на самом ESDS в результате обращения с упаковочными материалами, рабочими поверхностями или поверхностями машин или при контакте с ними и их разделении. Это часто происходит, когда устройство перемещается по поверхности или вибрирует в упаковке. Модель, применяемая для имитации передачи заряда от ESDS, называется моделью заряженного устройства (CDM). Емкости, энергии и формы колебаний тока отличаются от разряда в ESDS, что, вероятно, приводит к различным режимам отказа.

ESDS, что, вероятно, приводит к различным режимам отказа. Кажется, что тенденция к автоматизированной сборке решит проблемы, связанные с событиями HBM ESD. Однако было показано, что компоненты могут быть более чувствительными к повреждениям при сборке с помощью автоматизированного оборудования. Например, устройство может заряжаться, если сдвинуть устройство подачи. Когда оно соприкасается с вводной головкой или любой другой проводящей поверхностью, происходит быстрый разряд от устройства к металлическому объекту.

Другой процесс электростатического заряда, способный прямо или косвенно повредить устройства, называется индукцией поля. Как отмечалось ранее, всякий раз, когда какой-либо объект становится электростатически заряженным, возникает электростатическое поле, связанное с этим зарядом. Если ESDS помещается в электростатическое поле и заземляется, находясь в электростатическом поле, передача заряда от устройства происходит как событие CDM. Если объект удален из области электростатического поля и снова заземлен, произойдет второе событие CDM, поскольку заряд (противоположной полярности от первого события) передается от устройства.

Повреждение ESDS событием ESD определяется способностью устройства рассеивать энергию разряда или выдерживать уровни напряжения, участвующие в разряде. Как объяснялось ранее, эти факторы определяют чувствительность устройства к электростатическому разряду. Процедуры тестирования, основанные на моделях ESD-событий, помогают определить чувствительность компонентов к ESD. Хотя известно, что очень редко происходит прямая корреляция между разрядами в процедурах испытаний и реальными событиями электростатического разряда, определение чувствительности электронных компонентов к электростатическому разряду дает некоторые рекомендации по определению степени требуемой защиты от электростатического разряда. Эти и другие процедуры были описаны ранее [1].

Согласно ESD ADV1.0, выдерживаемое напряжение электростатического разряда — это «самый высокий уровень напряжения, который не вызывает отказа устройства; устройство выдерживает все испытанные более низкие напряжения». Многие электронные компоненты подвержены повреждению электростатическим разрядом при относительно низких уровнях напряжения. Многие из них чувствительны к напряжению ниже 100 В, а многие компоненты дисковода выдерживают напряжения даже ниже 10 В. Современные тенденции в дизайне и разработке продуктов включают больше схем на эти миниатюрные устройства, что увеличивает чувствительность к электростатическому разряду и делает потенциальную проблему еще более острой.

Литература

1. Буданова И. Принципы ESD-защиты от электростатического разряда: разработка программы защиты от электростатического разряда // Технологии в электронной промышленности. 2021. № 5.

Автор: Буданова Ирина, руководитель отдела маркетинга ООО «ПРОТЕХ», [email protected]

Как в теории создать плотное электростатическое поле 1 метр в высоту и ширину?

Нужно чтобы гасить приходящие сигналы для эксперимента с вегетативными растениями, то есть не обязательно чтобы поле было прям 1 метр но чтобы в него можно было растение запихнуть. Мне сказали что при напряжении скажем 400кв там происходят какие то потери и типо. ну вообще Я ничего не понял, хочу просто поле и всё. Ваши рассуждения в студию.

Дополнен 2 года назад

Ой чё то Я тупанул с полем и куполом, только сейчас дошло что можно же использовать квадрат или там прямоугольник, просто у меня в мозгах электрическое поле в виде полу сферы запечатлено, конечно можно и так как Я в первый раз написал но квадрат наверное всё упрощает. или нет хм

Лучший ответ

В электротехнике, чтоб на измерительные приборы или кабеля не влияли электромагнитные поля делают двойное экранирование. Гасят магнитную составляющую поля железным экраном, а электирическую/радиоизлучения медным экраном. Поэтому кабеля с внешней стороны экранированы стальной оплеткой и дальше под изоляцией в медная оплетка, а потом уже сигнальные провода несущие информацию. Для растений нужно построить бокс обшитый оцинковкой и через изолятор, например слой картона должны быть медные листы или можно использовать майлар с алюминиевым напылением. Оба экрана должны быть хорошо заземлены.

А если наоборот создать мощное электромагнитное поле то вдоль грядок выкладываем трубы 0,5 дюйма и мотаем на них медный провод в изоляции на 1 метр трубы где то 60-70 витков и нагружаем на лампочку 100 ватт. И так на этот квадратный тетр укладываем 4-5 труб.

Дима ТатариновУченик (41) 2 года назад

Ааа сложна. Если подойти к этому более детально то нужен электрический генератор 1х. А про экраны Я чёт не понял. То есть в моём понимании это выглядит так: вот генератор, оп, вкл, ага, надо поставить его на железный купол и так создастся электрический купол потому что метал это проводник, так или не так? Если отвечать больше нельзя то можете ответить завтра или послезавтра. В принципе ваш ответ полезен но малопонятен такую Я дам ему оценку.