Можно ли надуть воздушный шар электронами?

Электроны могут взаимодействовать с материалом воздушного шара, но, если вы прочтете мои доводы ниже, я думаю, что электроны будут проходить прямо через пластик.

Воздушные шары состоят из трех частей:

1. Латекс: Ca(NO3)2 + H2O + C2H6O, C5H8, (2-метил-1,3-бутадиен)
2. Пигменты; Ультрамариновый синий, (Na8-10Al6Si6O24S2-4) + (Na3CaAl3Si3O12S), красный, гематит (Fe2O3) и желтая охра, FeO(OH) nH2O.
3. Коагулянт: Ca(NO3).

Я ни в коем случае не утверждаю, что воздушный шар надуется, я просто не понимаю, почему воздух будет работать, а электроны — нет. Если стенка воздушного шара поглотит некоторое количество электронов, не станет ли она довольно быстро заряжаться отрицательно, а затем непосредственно ощущать силу отталкивания с другими стенками воздушного шара и еще свободными электронами? Тогда бы он раздувался прямой силой, а не косвенными столкновениями электронов с его стенками.

У нас есть технология откачки холодного воздуха против градиента давления, но не откачки холодного электронного газа, поэтому мы не можем приравнять эти две технологии в отношении наполнения баллона. Так что использование горячих электронов — наш единственный вариант, и это уничтожит воздушный шар.

Моя искренняя благодарность Джеймсу Ларджу за то, что он указал мне на это, и мои извинения перед ОП за то, что он не уловил этот момент раньше, если это то, о чем говорится в его вопросе выше.

Я утверждаю, что большая часть горячих, крошечных, быстро движущихся электронов либо соединится с одним из этих многочисленных соединений в стенке воздушного шара, либо, что гораздо более вероятно, просто пройдет прямо через нее. Другими словами, стенок воздушных шаров может вообще не быть.

Изображение из Электронной пушки Википедии

Электронная пушка из старого телевизора. Экран этих телевизоров изготовлен из оксидно-свинцового стекла, так как быстрые электроны опасны, а ке электронов, вероятно, высока, чтобы легко прожечь пластик. (Исправление исходного текста благодаря Джеймсу Ларджу)

Что произойдет, если мы продолжим вталкивать электроны в воздушный шар (даже если у нас есть система с холодным электронным газом)? Кинетическая энергия электронов внутри увеличивается, но сила, необходимая для того, чтобы вталкивать все больше и больше электронов во все более и более сильную сферу с отрицательным зарядом, была бы значительной. Вполне может быть, что тепло, выделяемое ке электронов и системой, необходимой для их закачки в воздушный шар, создаст достаточно тепла, чтобы расплавить пластик за очень короткое время.

Электроны в воздушном шаре захотят уйти как можно дальше друг от друга, поэтому они будут давить на поверхность воздушного шара, что будет стремиться его надуть. Насколько я понимаю, успех эксперимента будет зависеть от двух вещей.
Во-первых, будет ли в шаре достаточно электронов, чтобы силы распределялись равномерно? Если вы приложите очень большую силу в ограниченном пространстве, вы проткнете воздушный шар.
Во-вторых, будет ли плотность заряда достаточно низкой, чтобы шар не разрядился?

Для проведения расчетов предположим, что есть$N$электронов внутри воздушного шара, и что они равномерно распределены по его поверхности сферической поверхности, с радиусом$r$.

Из-за симметрии ситуации каждый электрон будет испытывать радиальную силу, равную той, которую он испытал бы, если бы заряд$(N-1)q_e \simeq Nq_e$был помещен в центр сферы.

Давление – это сила, приходящаяся на единицу площади, поэтому

Теперь, чтобы эта ситуация была хотя бы правдоподобной,$p$должно быть порядка атмосферного давления$101~\mathrm{kPa}$, который будет надувать воздушный шар до включения поверхностного натяжения. Подключение$r=2.5~\mathrm{cm}$(справедливое предположение о радиусе гибкого воздушного шара) и, решив количество электронов, мы получаем:

Теперь мы можем проверить наши первоначальные предположения. Среднее расстояние между двумя электронами будет порядка стороны квадрата с площадью$1/\rho$, это примерно$10^{-8}~\mathrm{m}$.

Мне понадобится помощь здесь, чтобы продолжить. Для меня это означает, что электроны достаточно плотны, чтобы силы не были слишком сконцентрированы, чтобы механически разорвать воздушный шар. Однако несколько электронов, находящихся так близко к молекуле, могут нарушить ее химические свойства, что приведет к деградации материала. К сожалению, я недостаточно знаю химию, чтобы ответить. Надеюсь, кто-то может внести свой вклад?

Одна вещь, которую вы НЕ МОЖЕТЕ сделать, это надуть воздушный шар, потирая его о свитер. Вы можете получить довольно много заряда на воздушном шаре с точки зрения напряжения (возможно,$10$кВ), но шар не становится больше.

Я прикидываю здесь, и для давления в 1 атмосферу я получаю$10^{15}$электроны в$10$см, что близко к @Rotsor в поле комментариев ответов Ди Бьяджо. Это дает мне напряжение около$10$МВ, или$1000$в разы больше, чем если потереть шарик о свитер, и примерно в то же время, что можно получить от очень эффективного генератора Ван де Граафа. Который (значительно) холодный. Думаю, если бы вы могли поместить эти электроны внутрь воздушного шара, чтобы они не могли разрядиться, вы бы его надули.

Конечно, можно перемещать объекты с помощью электростатических средств. См., например, электроскоп с сусальным золотом здесь:

https://en.wikipedia.org/wiki/Электроскоп

Если ваш воздушный шар был сделан из подходящего материала (сверхтонкого и проводящего для распространения заряда, например, из сусального золота) и открыт, чтобы пропускать воздух, а не запечатан, генератор Ван де Граафа может его надуть. Расстояния (и силы) будут аналогичны тем, что показаны на фотографиях «прически ван де графа» здесь.

https://en.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaff_generator

Однако, если вы запечатаете его, ему придется надуваться против атмосферного давления. Если он увеличится в 10 раз по сравнению с первоначальным размером, внутреннее давление составит 1/10 атмосферы. Это почти атмосфера перепада давления: 14,7 фунт-силы на квадратный дюйм или 10 Н (около 1 кгс) на квадратный сантиметр. Силы, умноженные на всю поверхность, огромны, как видно на этом видео взрывающейся железнодорожной цистерны https://www.youtube.com/watch?v=UpWeU2fvFGs . Ясно, что задействованные силы намного больше, чем те, которые необходимы, чтобы заставить чьи-то волосы встать дыбом.

Вывод: теоретически это можно сделать. На практике вам потребуется астрономически высокое напряжение, чтобы превзойти атмосферное давление. Сдерживание таких напряжений без их утечки или искрения, вероятно, невозможно.

(Мне нравится этот вопрос, а что если по физике очень весело. Из-за отсутствия возможности комментировать, я просто продолжу с соответствующим ответом, извините.)

Отбрасывая некоторые из приведенных выше ответов, я подозреваю, что ответ отрицательный, он не надует воздушный шар при давлении в один атм из-за материаловедческого аспекта вещей. Если вам нужно поднять напряжение до 10 МВ, чтобы обеспечить инфляционное давление ( Анализ напряжений Марти , большое ограничение физической реальности, диэлектрическая прочность - хороший способ упростить свойства материала.)) тогда у вас есть «проблемы сдерживания». не отскакивают, они просто следуют за потенциалом, а при 10 МВ возникают серьезные проблемы с пробоем диэлектрика. 10 МВ достаточно, чтобы создать дугу длиной 3 метра в воздухе (см .) Таким образом, попытка удержать этот потенциал без потока электронов в «Воздушном шаре» превратит форму в шар с толстыми стенками, а не в воздушный шар. Есть ли способ потребовать, чтобы сила надувания сохраняла форму, но была диэлектрически прочной? Вероятно, не при давлении 1 атм.

Если бы у вас был подобный эксперимент в вакууме (космосе), вы, вероятно, могли бы «надуть» майларовый шар таким образом, потому что нет внутреннего давления атмосферы для баланса, хотя, вероятно, позволяя электронному лучу пройти через «отверстие». также пропускает электроны, так что в конечном итоге вам придется генерировать электроны внутри оболочки. Я основываю это на том факте, что статическое электричество распространяется по изолятору (внешней части воздушного шара) равномерно; с областью, по которой будут течь электроны, внутренняя и внешняя часть воздушного шара становятся одной поверхностью, по которой распределяются электроны. Это нормально, за исключением того факта, что электроны текут как поток от высокого потенциала к низкому в вакууме...

EDIT: в редактировании, соответствующем третьему редактированию OP, я скажу, что оно намного ближе к изолированному эксперименту, который «надувал» воздушный шар.

План эксперимента будет выглядеть следующим образом, и в этот момент, я думаю, у вас есть неплохие шансы увидеть, как надувается воздушный шар, по крайней мере, немного:

1. С баллоном (неплотно закрепленным, чтобы давление воздуха выровнялось) и головкой генератора Ван де Граффа, запечатанной внутри колпачка, откачайте весь воздух, какой сможете.
2. Нажмите какой-нибудь переключатель и плотно прижмите горловину баллона к горловине генератора.
3. Включите Генератор.

Вы должны, по крайней мере, получить достаточное отталкивание, чтобы поднять воздушный шар с генератора против силы тяжести и, возможно, до точки, где он начнет растягиваться. Это похоже на выстрел 50/50, может ли воздушный шар содержать достаточное напряжение, чтобы значительно растянуть воздушный шар без пробоя диэлектрика, но просто начальное надувание было бы потрясающе увидеть.

Я думаю, что это не работает. Все электроны должны быть вытолкнуты к внутренней поверхности шара. Потенциал воздушного шара продолжает увеличиваться, в конечном итоге он становится большим отрицательно заряженным воздушным шаром. Вы можете сделать вывод, что происходит.