Puede un globo que se infla con los electrones?

Question

Si yo uso un Van De Graff generator para la bomba de electrones en un globo desinflado, eventualmente carga negativa comenzará a construir en el interior del globo. Asumir la boca del globo cerrada para que el aire no puede entrar o salir del globo. Los electrones se empujan el uno contra el otro y a mi entender se acumulan a lo largo de todo el interior de la superficie del globo.

Estos electrones empuje contra los lados del balón con la fuerza suficiente para inflar el globo o todo el programa de instalación sea imposible por alguna razón yo no estoy viendo como los electrones a la deriva a través del globo paredes demasiado rápido para construir?

Suponga que el globo es tan gruesa como sea necesario.

Edit 1: Me estaba imaginando que a medida que más y más electrones son transportados en algunos comenzaría a chocar con las paredes del globo. Estos constantes choques con el globo de las paredes podría causar una "presión" hacia el exterior en las paredes del globo, de la misma manera que las moléculas de aire que chocan con el balón paredes crea presión. ¿Por qué el globo no sólo se infla como lo hace con el aire después de la relativamente pequeña cantidad de presión necesaria para inflar globos se alcanza? Estoy de acuerdo con la "presión" para agregar electrones aumentaría rápidamente, pero que me lleva a pensar que iba a inflar con bastante "pocos" los electrones añadido.

Edit 2: Lo siento por las preguntas de seguimiento. Me alegando que el globo se infle, simplemente no entiendo por qué el aire y los electrones no. Si el globo de la pared absorbe algunos de los electrones, no se vuelven cargados negativamente con bastante rapidez y, a continuación, directamente sentir una fuerza repulsiva con el resto de los muros del balón y de la todavía electrones libres? A continuación, se inflaba por una fuerza directa en lugar de la indirecta de las colisiones de los electrones en sus paredes.

Edit 3: Gracias por todo el interés en esta cuestión. Debido a algunas de las preguntas en los comentarios voy a ofrecer algunas aclaraciones detalles. Después de leer las observaciones de count_to_10, Hames Grande, y Marty Verde con respecto a la "caliente" vs "frío" de los electrones, veo el experimento como el siguiente diagrama:

A) El medio ambiente en el exterior del globo. Esta bien podría ser de aire o de vacío, tan larga como todo el experimento podría encajar dentro de una moderna cámara de vacío.

B) El interior del globo (marcado en rojo). Como Ulthran señaló este sería esencialmente un vacío con, posiblemente, algunos de los electrones a la deriva alrededor.

C) La parte superior de la bola de Van De Graff generator. Andrea Di Biagio señaló que tenemos que ser cuidadosos para no dejar toda la carga se acumulan en un solo lugar. Normalmente la bola en la parte superior sería plano, pero aquí están los puntos conectados para ayudar a los electrones de la descarga de la pelota de una manera más o menos uniforme. Este diseño es de mi conocimiento limitado de Van de Graff generadores. Por favor, siéntase libre de sugerir algo más si hay una mejor manera de moverse "en frío" a los electrones en el globo.

D) Aquí está la boca del globo. Esto de alguna manera está firmemente conectado al polo de la Van De Graff generator con un material altamente aislante. El objetivo es que los electrones no se mueven hacia el polo y el aire no pueda entrar en el globo y los electrones no será capaz de salir.

Creo que Andrea Di Biagio es el más cercano a una respuesta definitiva hasta el momento. El cálculo de llegar a unos $N = 4.633*10^{13}$ los electrones necesarios para generar la presión suficiente (Gracias a Rotsor para algunos de cálculo de ajustes). Así que la pregunta es, ¿podemos encajar esto muchos electrones en el interior del globo (resulta que todos terminan en el interior de la pared del globo), o le suceda algo para detener esto, por ejemplo, una fuga a través del globo de la pared, ruptura dieléctrica, de caucho, de los enlaces químicos romper o algo más?

Answer 1

Los electrones pueden interactuar con el material del globo, pero, si usted lee mis razones de abajo, creo que los electrones viajan en línea recta a través del plástico.

Los globos están hechos de tres partes:

1. Látex: Ca(NO3)2 + H2O + C2H6O, C5H8, (2-metil-1,3-butadieno)
2. Los pigmentos son; Azul Ultramar, (Na8-10Al6Si6O24S2-4) + (Na3CaAl3Si3O12S), Rojo, Hematita (Fe2O3), y el Amarillo Ocre, FeO(OH) nH2O.
3. Coagulante : Ca(NO3).

Me alegando que el globo se infle, simplemente no entiendo por qué el aire y los electrones no. Si el globo de la pared absorbe algunos de los electrones, no se vuelven cargados negativamente con bastante rapidez y, a continuación, directamente sentir una fuerza repulsiva con el resto de los muros del balón y de la todavía electrones libres? A continuación, se inflaba por una fuerza directa en lugar de la indirecta de las colisiones de los electrones en sus paredes.

Tenemos la tecnología para el bombeo de aire frío en contra de un gradiente de presión, pero no para el bombeo de frío gas de electrones, por lo que no podemos equiparar a los dos en cuanto a llenar el balón de oro. Así que el uso de electrones calientes, es nuestra única opción y esto va a destruir el globo.

Mi más sincero agradecimiento a James Grandes para señalar esto para mí y mis disculpas al OP por no entender este punto anterior, si eso es lo que se refiere en su pregunta anterior.

Yo sostengo que la mayoría de la caliente, pequeño, rápido movimiento de electrones combinar con uno de estos compuestos en la pared del globo o, mucho más probable, acaba de pasar directamente a través de él. En otras palabras, el globo paredes posible que así como no estar allí en el primer lugar.

Imagen de cañón de Electrones Wikipedia

Un cañón de electrones, a partir de un viejo TELEVISOR. La pantalla de estos televisores incorporan de plomo-cristal de óxido de desde electrones rápidos son peligrosos, y la k.e. de los electrones es probablemente alta a quemarse con facilidad a través de la plástica. (Corrección al texto original gracias a James Grandes)

¿Qué sucede si seguimos empujando a los electrones en el globo, (incluso si tenemos un resfriado gas de electrones del sistema)? La energía cinética de los electrones en el interior aumenta, pero la fuerza necesaria para empujar más y más electrones en una persona más fuerte y más fuerte de la esfera de la carga negativa sería considerable. Bien puede ser que el calor generado por la k.e. de los electrones y el sistema necesitaba de la bomba en el globo crear el suficiente calor para derretir el plástico en un tiempo muy corto.

Answer 2

Los electrones en el globo se quiere llegar lo más lejos posible el uno del otro, por lo que ejercerá presión sobre la superficie del globo, que tienden a inflar. Por lo que puedo ver, el éxito del experimento dependerá de dos cosas.
En primer lugar, habrá suficiente electrones en el globo, de modo que las fuerzas se distribuyen de manera uniforme? Si usted pone una gran fuerza en un área limitada que va a pinchar el globo.
En segundo lugar, la densidad de carga de ser lo suficientemente baja para que el globo no descarga?

Hacer algunos cálculos, supongamos que hay $N$ los electrones en el interior del globo, y que están distribuidas de manera uniforme en su superficie superficie esférica, con un radio de $r$.

Debido a la simetría de la situación, cada electrón experimentará una fuerza radial, igual a la que se experimentaría si un cargo de $(N-1)q_e \simeq Nq_e$ fue colocado en el centro de la esfera.

La presión es la fuerza por unidad de área, por lo tanto $$ p = \frac{N}{4\pi r^2}\frac{kNq_e q_e}{r^2} = \frac{kN^2q_e^2}{4\pi r^4}$$

Ahora, para que esta situación incluso plausible, $p$ tiene que ser de la orden de la presión atmosférica $101~\mathrm{kPa}$, el cual se infla el globo antes de participar de la tensión de superficie. Conectar $r=2.5~\mathrm{cm}$ (una feria supongo que en el radio de un disquete de globo) y resolviendo para el número de electrones que tenemos: $$N\simeq 5\times 10^{13}$$ giving a number density of $\rho = 6\times 10^{15}~\mathrm{m^{-2}}$.

Ahora podemos verificar nuestra hipótesis inicial. El promedio de separación entre dos electrones serán del orden de el lado de un cuadrado con área de $1/\rho$, que es acerca de $10^{-8}~\mathrm{m}$.

Voy a necesitar un poco de ayuda aquí para continuar. Esto para mí significa que los electrones son lo suficientemente densa como para que las fuerzas no son demasiado concentrada para extraer el globo mecánicamente. Sin embargo, varios electrones tan cerca de una molécula que podría perjudicar sus propiedades químicas, reduciendo el material. Por desgracia, yo no sé lo suficiente química para responder. Esperemos que alguien puede aportar?

Answer 3

Una cosa que NO PUEDE hacer es inflar un globo por el roce de su suéter. Usted puede conseguir un poco de carga en el globo en términos de voltaje (quizá $10$kV) pero el balón no llega a ser más grande.

Estoy haciendo algunos ballparking aquí y para una presión de 1 atmósfera, llego $10^{15}$ los electrones en un $10$cm de radio, que está cerca de @Rotsor en el campo de comentarios de Di Biagio respuestas. Que me da un voltaje de alrededor de $10$MV, o $1000$ veces lo que se obtiene al frotar el globo en su suéter - y en el estadio de béisbol de lo que podrían obtener de una forma muy eficiente De Van De Graff generator. Que es (mucho) frío. Supongo que si usted podría conseguir los electrones en el interior de un globo por lo que no podría dar de alta, se inflaba.

Answer 4

(Me encanta esta pregunta, la física whatif son un montón de diversión. En la ausencia de poder comentar, voy a arar adelante con un relacionados con la respuesta, lo siento.)

Riffs de algunas de las respuestas anteriores, sospecho que la respuesta es no, no va a inflar un globo en una ATM de presión debido a la ciencia de los materiales aspecto de las cosas. Si tienes que subir el voltaje a 10 MV para proporcionar presiones de la inflación (Análisis de tensiones por Marty, gran restricción en la realidad física, resistencia dieléctrica es una buena manera de simplificar las propiedades de los materiales.)) entonces usted tiene la "contención de los problemas" de los Electrones que no rebote, simplemente siga potencial, y a 10MV, que tiene serios ruptura dieléctrica problemas. 10MV es suficiente para crear un arco de 3 metros de largo en el aire (véase Tensiones involucradas en el Rayo) Así que tratando de contener ese potencial sin el flujo de electrones en un "Globo" cambiará la forma en un mundo con paredes gruesas, en lugar de un globo. Es allí una manera de exigir a la inflación de la fuerza para mantener la forma, sin embargo, ser dielectrically de sonido? Probablemente no a 1Atm de presión.

Si usted tuvo un experimento como este en un vacío (el espacio), usted probablemente podría "inflar" un globo de Mylar de esta manera porque no hay presión interior de una atmósfera en equilibrio, aunque lo que permite que el haz de electrones para ir a través de una "apertura" probablemente fugas de electrones, de modo que al final tienen que generar los electrones en el interior de la envolvente. Me baso en el hecho de que la electricidad estática se extiende a través de un aislador (el exterior de un globo) de manera uniforme; con un área a la que el flujo de electrones, el interior y el exterior del globo convertido en una superficie para difundir los electrones a través de. Esto está bien, excepto por el hecho de que los electrones fluyen como una corriente de alto potencial bajo potencial en el vacío...

EDITAR: En una edición para que coincida con el OP de la tercera edición he de decir que está mucho más cerca de un único experimento que iba a "inflar" el globo.

El diseño del experimento iría de la siguiente manera, y en ese punto, creo que tienes una oportunidad decente al ver que el globo se infle, al menos algunos:

1. Con el globo (libremente fijado para permitir que las presiones de aire igualar) y el de van de graff generator cabezal de sellado en el interior de un campana de vidrio, bomba de salir todo el aire que puedas.
2. Desplázate a algunos interruptor, y sella el cuello del globo firmemente contra el generador de cuello.
3. Encienda el Generador.

Usted debe obtener al menos lo suficiente repulsión para levantar el balón fuera del generador en contra de la gravedad y, potencialmente, hasta el punto donde se comienza a estirar. Parece un 50/50 tiro si un globo puede contener suficiente tensión significativamente estira el globo sin ruptura dieléctrica, pero sólo la inicial de la inflación sería impresionante ver.

Answer 5

Sin duda, es posible mover objetos electrostática medios. Véase, por ejemplo, el electroscopio de panes de oro aquí:

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

Si el balón estaba hecho de un material adecuado (ultra delgada y conductora de propagación de carga, tales como la hoja de oro) y abierto para permitir que el aire a través de, en lugar de sellado, un generador van de graaf podría ser capaz de inflar. Las distancias (y fuerzas) sería similar a aquellos en el "van de graaf peinado" fotos aquí

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

Si el sello es, sin embargo, va a tener que hinchar en contra de la presión atmosférica. Si llega a 10 veces su tamaño original, la presión interna sería 1/10 atmósfera. Eso es casi una atmósfera de presión diferencial: 14.7 libra por pulgada cuadrada o 10N (sobre 1kgf) por centímetro cuadrado. Multiplicado por toda la superficie de las fuerzas son tremendos, como puede verse en este video de una implosión del carro tanque de ferrocarril https://www.youtube.com/watch?v=UpWeU2fvFGs. Claramente las fuerzas involucradas son mucho mayores que los necesarios para hacer sonreír a alguien los pelos de punta.

Conclusión: en teoría se podría hacer. En la práctica tendría astronómicamente altos voltajes para vencer la presión atmosférica. Contiene tales voltajes sin ellos o con fugas de arco de distancia es probablemente imposible.