3.3. Трибоэлектрические свойства.

При взаимном контакте разнородных физических тел они заряжаются равными по величине, но различными по знаку электрическими зарядами. Знак заряда зависит от природы этих тел, от состояния поверхности и некоторых других факторов.

В 1938 г. Джонсон обратил внимание на следующий эффект.

В зависимости от знака заряда электрода, на который загружаются частицы минералов, некоторые либо отталкиваются, либо притягиваются к нему. Эти минералы были условно названы обратимыми или отрицательно, или положительно в зависимости, при каком знаке заряда они отталкивались от электрода.

Частицы других минералов (необратимые минералы) ведут себя одинаково вне зависимости от знака заряда электрода.

Это явление также объясняется трибоэффектом.

Положительно обратимы те минералы, которые при соприкосновении с нейтральным металлическим лотком получают положительный заряд, т.е. работа выхода электронов из них меньше, чем из металла лотка.

Отрицательно обратимы те минералы, которые при соприкосновении с нейтральным металлическим лотком получают отрицательный заряд, т.е. работа выхода электронов из них больше, чем из металла лотка.

3.4. Контактный потенциал.

Контактный потенциал – способность приобретения частицей заряда за счет контакта с электродом. Разные частицы получают разный заряд из-за различной емкости частиц.

3.5. Пироэлектрические свойства.

Пироэффект - возникновение зарядов у минеральных частиц за счет резкого перепада температур, например, нагрева, а затем быстрое охлаждения (такое явление наблюдается у турмалина). Заряды образуются за счет возникновения в кристаллическом теле механических напряжений при нагревании или охлаждении. Пироэффект увеличивает разницу в величине зарядов. Пироэффект может использоваться при отделении полевого шпата от кварца.

3.6. Пьезоэлектрические свойства.

Пьезоэффект – возникновение зарядов при деформации кристаллов пьезоэлектриков (например, кварца, турмалина, сфалерита) за счет смещения диполей в кристаллической решетке. При помещении частиц пьезоэлектрика в электрическое поле изменяется положение диполей по различным кристаллографическим направлениям, что приводит к деформации кристалла (обратный пьезоэффект).

Пьезоэффектом обладают около 1500 веществ, в т.ч. 11 минералов, например кварц и турмалин.

3.7. Униполярная проводимость.

Униполярная проводимость - различная проводимость по разным направлениям (кристаллографическим осям) кристалла. Униполярную проводимость имеют молибденит (MoS₂), цинковая обманка (ZnS), карборунд.

3.8. Индукция (электризация через влияние).

Индукция - возникновение заряда за счет различной скорости поляризации диполей при помещении частиц минералов в электрическое поле. Вследствие различной природы минералов (химический состав, строение кристаллической решетки), кинетика образования электрических зарядов в этих частицах будет различной. Следовательно, частицы приобретут различные по величине заряды

4. Способы сообщения частицам электрического заряда.

4.1. Способы зарядки частиц при сепарации по электропроводности.

Основной стадией электрической сепарации является электризация, т.е. создание на частицах разделяемых минералов электрических зарядов различных по величине, а в некоторых методах - и по знаку.

При сепарации материала по электропроводимости заряжение возможно одним из способов «а» - «д», показанных на рис. 4.1.1, или комбинацией нескольких способов.

4.2. Касание частицей электрода, находящимся под определенным электрическим потенциалом.

При соприкосновении проводника с заряженным телом, вследствие хорошей проводимости, проводник (2) приобретает одноименный с этим телом заряд (рис. 4.2.1). Два тела с одноименным зарядом отталкиваются друг от друга, следовательно, проводник начнет отталкиваться от заряженного тела (например, от электрода, на котором находится). Также будет вести себя на поверхности электрода минеральная частица, относящаяся к группе хорошо проводящих.

Предположим, на положительный электрод помещена частица (1) диэлектрика (рис. 4.1.1 - а). Появившийся отрицательный заряд, обусловленный поляризацией, не может перейти на положительный электрод. Частица, имеющая два равных по величине, но противоположных по знаку заряда, будет электрически нейтральной и не оттолкнется от электрода.

Поместим частицу (2) диэлектрика (например, кварца) и частицу (1) проводника (например, ильменита, рутила, вольфрамита) на электрод, находящийся под определенным отрицательным потенциалом. При этом на той стороне частицы, которая обращена к электроду, возникает заряд противоположного знака, а на противоположной стороне частицы – заряд, одноименный с зарядом электрода. Как было описано выше, благодаря более высокой электропроводности у частицы проводника (2), положительный заряд переходит на отрицательный электрод и нейтрализуется. В результате этого проводник приобретает заряд, одноименный заряду электрода, которого он касается, и отталкивается от него.

У частицы диэлектрика (1) положительный заряд обусловлен его поляризацией, и не может перейти на электрод. Частица, обладая двумя противоположными по знаку и равными по величине зарядами, останется электрически нейтральной и не будет отталкивается от электрода, т.к. ее положительный заряд находится ближе к отрицательно заряженному электроду.

Условные обозначения:

Рис. 4.1.1. Способы зарядки частиц при электрической сепарации по электропроводности.

Рис. 4.2.1

Схема сообщения заряда диэлектрику (1) и проводнику (2) при соприкосновении с положительным электродом.

Разница в знаке зарядов будет определяться скоростью в отдаче заряда противоположного знака. Используя эти различия в поведении на заряженном электроде частиц проводников и диэлектриков, их можно отделить друг от друга в электрическом поле.

По такому принципу работали первые электрические сепараторы, однако этот метод эффективен только для сочетания веществ, одно из которых является хорошим проводником, а другое – хорошим диэлектриком, что в практике обогащения руд встречается редко.

Как правило, минеральное частицы подвергающиеся разделению, имеют довольно близкие значения электропроводности. Это создает значительные трудности в получении удовлетворительных результатов при работе электростатических сепараторов и требует многократных перечисток проводниковой и непроводниковой фракции, узкой классификации материала и поддержания определенной относительной влажности воздуха. В связи с вышеизложенным электростатические сепараторы имеют ограниченное применение.

4.3. Метод заряжения частиц индукцией.

Если поместить частицы различных минералов в электрическое поле (рис. 4.1.1 - б), то, вследствие различной природы минералов (химический состав, строение кристаллической решетки), кинетика образования электрических зарядов в этих частицах будет различной. Следовательно, частицы приобретут различные по величине заряды. Эта разница не столь значительна, следовательно, индукция, как самостоятельный способ заряжения с целью воздействия на движение частиц в электрическом поле, используется только при сепарации материалов небольшой плотности (сортировка волокнистых материалов и классификация минералов по крупности). При заряжении материала методом индукции используется как электризация проводников, так и поляризация диэлектриков. Этот метод применяется вместе с другими методами заряжения частиц.

Метод заряжения частиц индукцией в сочетании с разрядкой через заземленный электрод.

При сепарации зернистых материалов на электрических сепараторах имеет место комбинация методов заряжания частицы индукцией и касания частицы о заряженный электрод. Разница в величине зарядов на частицах минералов пропорциональна контактному сопротивлению и электрической емкости каждой частицы.

При комбинации этих способов величина остаточного заряда частицы значительно больше, чем при электризации индукцией. Комбинация заряжения частиц индукцией и касанием о заряженный электрод показана на рис. 4.1.1 - в.

4.4. Метод заряжения частиц подвижными ионами (зарядка в поле коронного разряда).

Источником возникновения зарядов на частицах в электрическом поле может служить также коронный разряд в газах (рис. 4.1.1 – г, д). В обычных условиях любой газ - хороший диэлектрик и тока не проводит. Для того, чтобы прохождение тока стало возможным, необходим электрический разряд. Известно, что электрический разряд в газах бывает нескольких видов. Основные виды разряда - искровой и тлеющий. Разновидность тлеющего разряда – коронный (см. приложение ЭП2).

Искровой разряд может возникнуть как в однородном, так в неоднородном электрическом поле и только между двумя электродами. Физически он представляет собой пробой диэлектрика и возникает (для воздуха) при приложении к электродам разности потенциалов выше допустимого предела, который зависит от:

- расстояния между электродами,

- их формы,

- влажности воздуха,

- запыленности воздуха,

- температуры воздуха.

Коронный разряд возникает только в неоднородном электрическом поле, в небольшой области около электрода с малым радиусом кривизны и не распространяется до противоположного электрода.

Если к двум электродам, один из которых имеет больший радиус кривизны или является плоским, а другой - малый радиус кривизны (проволока, острие, пучок игл) приложить некоторую разность потенциалов, то напряженность поля вблизи электрода с малым радиусом кривизны будет значительно выше, чем около электрода с большим радиусом кривизны. Вследствие этого, при определенной разнице потенциалов вблизи электрода с малым радиусом кривизны будет проходить коронный разряд, сопровождаемый ионизацией воздуха. При этом ионы, заряженные одноименно с коронирующими электродами, движутся от коронирующего электрода к противоположному (плоскому или с большим радиусом кривизны), т.е. между электродами возникнет электрический ток, так называемый ток короны. Величина этого тока определяется количеством ионов, проходящих в единицу времена между электродами и зарядом этих ионов.

Как правило, коронирующий электрод сепаратора присоединяют к отрицательному полюсу источника высокого напряжения.

При прохождении электрического тока через газ концентрация и природа заряженных частиц не остается постоянной. Эти частицы представляют собой как свободные электроны, так и положительные и отрицательные ионы, а также атомы и молекулы, потерявшие или присоединившие к себе несколько электронов. Отделение свободных электронов от частиц газа и образование положительных и отрицательных ионов, а также обратные процессы рекомбинации заряженных частиц с образованием нейтральных частиц газа идут непрерывно.

При возникновении тока короны слышно шипение и потрескивание, а в темноте можно наблюдать вокруг коронирующего электрода бледно - фиолетовый свет. Напряжение, при котором становится возможным увидеть корону, называется начальным напряжением видимой короны. При возрастании напряжения выше этой точки ток разряда растет очень быстро, а когда разность потенциалов достигает критического значения, между электродами начинают проскакивать отдельные искры. Коронный разряд в воздухе всегда вызывает образование озона из кислорода. Озон определяется по характерному запаху.

Свет, появляющийся в процессе коронного разряда, представляет собой энергию, излучаемую при рекомбинации электронов и ионов, или же при переходе электрона на внутреннюю, более устойчивую орбиту того же атома.

Внешний вид света, излучаемого коронным разрядом, зависит от полярности короны. В случае положительной короны (коронирующий электрод соединен с положительным полюсом источника тока), ее свечение наблюдается более равномерным вдоль всей длины коронирующего электрода. В случае отрицательной короны свечение сосредотачивается у отдельных ярко светящихся точек на поверхности провода.

Электрический ток при отрицательно заряженном коронирующем электроде (отрицательная корона) переносится отрицательными ионами и в разрядном промежутке имеется лишь отрицательный пространственный заряд. В случае положительной короны разрядный промежуток заряжается положительно.

Коронный разряд представляет собой незавершенный пробой, т.е. часть газового слоя между электродами остается неионизированной и служит как бы изоляцией, предохраняющей от короткого замыкания между электродами через искру или дугу.

Такую газовую прослойку практически создают путем подбора формы электродов и расстояния между ними, соответствующего данному напряжению. Как упоминалось выше, ионизация газов (воздуха) сосредоточена в сравнительно тонком слое около электрода с малым радиусом кривизны (провод, острие, пучок игл).

Начальное напряжение V_r [кВ], необходимое для возникновения коронного разряда между проводом с радиусом r [м] и параллельной плоскостью, отстоящей от провода на расстояние h [м] можно определить по формуле:

V_r = r₀ E_к ln(2h/r₀), где: (4.4.1)

- Е_к - напряженность поля, при которой возникает коронный разряд, [кВ/м];

- ln – натуральный логарифм.

Начальная напряженность поля E_к [кВ/м] вычисляется по эмпирической формуле (формула Пика):

E_к = 3100 δ (1 + 0,0308* δ^-½ r₀^-½), где: (4.4.2)

- δ - относительная плотность воздуха, δ = 1 при давлении Р=760 мм ртутного столба и t° = 20°С;

- r₀ - радиус коронирующего электрода, [м].

Из формулы следует, что теоретически начальная напряженность короны зависит только от плотности воздуха и радиуса коронирующего проводника. Однако исследованиями установлено, что начальная напряженность поля короны зависит также от расстояния между электродами.

График зависимости начального напряжения короны от радиуса коронирующего электрода показан на рис. 4.4.1.

Рис. 4.4.1. График зависимости начального напряжения короны от радиуса корониpyющего электрода.

Распределение электрического поля во внешней области коронного разряда определяется расположением пространственных зарядов и подчиняется закону Пуассона (Внимание – далее формулы будут даны не в системе СИ!):

d I U E = 4 π ρ, где (4.4.3)

где ρ - плотность пространственного заряда,

E - напряженность электрического поля в любой точке внешней области коронного заряда [кВ/см];

d - диаметр коронирующего электрода, [мм];

I - ток короны, [мкA];

U - скорость движения отрицательных ионов при их движении в газе под действием электрического поля.

Плотность пространственного заряда

ρ = n_{0 *} e, где (4.4.4)

n₀ - концентрация отрицательных ионов, равная 1,7·10⁸ ионов в 1 см³,

e - заряд электрона, e = 1,6*10^-19 Кл.

Плотность электрического тока

j = ρ U, где (4.4.5)

U = k E, где (4.4.6)

k - подвижность отрицательных ионов, равная 2,1 [см²/(В*сек)].

Таким образом,

d I U E = 4 π j_п / (k_п E), где (4.4.7)

j_п- плотность электрического поля при положительной короне;

k_п - подвижность положительных ионов [см²/(В*сек)].

Чтобы найти напряженность поля E в любой точке внешней области коронного разряда, необходимо знать распределение тока во внешней области короны и геометрическую конфигурацию силовых линий электрического поля. Наиболее просто эта задача решается для случая коронного заряда между двумя коаксиальными цилиндрами. Напряженность поля Е в любой точке, отстоящей от оси цилиндров на расстоянии х [см]:

, где: (4.4.8)

I - линейная плотность коронного тока на единицу длины провода, [мA/см],

K - подвижность отрицательных ионов, равная 2,1 [см²/ (В*сек)].

r - радиус коронирующего электрода, [см];

Ε_н - начальная напряженность короны, [кВ/см].

Для случая коронного разряда между проводом и параллельной ему бесконечной плоскостью напряженность поля в любой точке может быть определена по формуле

(4.4.9)

или

где (4.4.10)

х - расстояние от оси коронирующего электрода до осадительного электрода [см],

h - расстояние между коронирующим электродом и плоским электродом [см].

Зависимость напряженности поля от расстояния между электродами представлено на рис. 4.4.2.

Рис. 4.4.2. График зависимости напряженности поля от расстояния между электродами.

Расчет напряженности поля в какой-либо точке представляет сложную задачу, поэтому часто значения напряженности в различных участках поля определяют с помощью зондов.

Весьма важной характеристикой коронного разряда является зависимость силы тока короны от напряжения между электродами, т.е. вольтамперная характеристика разряда.

Когда коронный разряд происходит между концентрическими электродами, представляющими собой цилиндры (барабан и тонкая проволока) с радиусами R и r причем R » r, то сила тока на единицу длины провода может быть определена выражением:

, где (4.4.11)

I - сила тока на единицу длины провода [мА/м],

V - рабочее напряжение на коронирующем электроде, [кВ];

V_к - начальное напряжение, т.е. напряжение, при котором начинается коронный разряд, [кВ];

R и r – радиусы осадительного и коронирующего электродов, [м];

К - подвижность ионов [см²/(В*сек)].

Для случая плоскость – провод , отстоящий от плоскости на расстоянии h:

[мкА/м], (4.4.12)

Вольтамперная характеристика коронного разряда для каждого конкретного случая может быть определена экспериментальным путем при измерениях силы тока короны при различных напряжениях.

При одинаковых состояниях поверхности коронирующего электрода (температура, влажность, запыленность) начальное напряжение видимой короны не зависит от материала коронирующего электрода. Влажность воздуха не оказывает существенного влияния на начальное напряжение короны при условии сухой поверхности коронирующего электрода. Температура воздуха, если она не достигает величины, при которой появляется термическая ионизация, не влияет на коронный разряд.