N95 フェイスマスクの物理学

Jul 20, 2023

レット・アレイン

今は 2022 年で、私たちはもう 2 年近くマスクを着用しています。 そして、すでに毎日着用していた外科医や建設作業員でない限り、この 2 年間で、どれが一番気に入っているか、どこで入手できるか、予備を隠し持っているかどうかなど、おそらくこの 2 年間で多くのことを学んだはずです。コートのポケットや車のどこかに。

しかし、この貴重な N95 マスクがなぜ特別なのかご存知ですか? 確認してみましょう。

通常の布製または紙製のフェイスマスクの繊維は、粒子を物理的にブロックすることで粒子を除去しますが、N95 マスクの繊維も優れた物理的トリックを使用しています。 これらの繊維は帯電しています。

電荷はすべての粒子の基本的な特性の 1 つです。 あなたの周りにあるほぼすべてのものは、陽子、電子、中性子という 3 つの粒子でできています。 (今のところ、ミューオンとニュートリノ (どちらも実際に存在する基本粒子) と理論的に可能な他の粒子は無視しましょう。)

すべての粒子には質量があるのと同じように、電荷もあります。 陽子は、電荷の測定単位である 1.6 × 10-19 クーロンの値の正の電荷を持っています。 電子はまったく逆の電荷を持っています。 これにより、中性子は電荷ゼロのままになります (したがって、「neutron」の「neut」の部分)。

電荷は、静電相互作用、つまり電荷間の力の重要な部分です。 この力の大きさは、2 つの電荷の大きさとそれらの間の距離によって決まります。 この力はクーロンの法則で計算できます。 次のようになります。

この表現では、kは、9 x 109 N×m2/C2 の値を持つ定数です。 料金は、q1そしてq2そしてそれらの間の距離はr 。 これにより力がニュートン単位で与えられます。 2 つの電荷が両方とも同じ符号 (両方が正または両方が負) の場合、これは斥力になります。 2 つの電荷が異なる符号である場合、その力は魅力的です。

ブレンダ・ストーリヤーとエリック・レイブンスクラフト著

すべてが電子と陽子でできているなら、すべての間に電気力が存在するはずではありませんか? まあ、ある意味。 電子と陽子は非常に小さいです。 つまり、たとえ小さな水滴であっても、その中には 1022 個もの陽子が含まれることになります。 その滴にはおそらく同じ数の電子が含まれているでしょう。 (そして、少なくとも今のところ、中性子のことを気にする人は誰もいません。) これにより、この水滴の全体的な電荷はゼロ クーロンに等しくなります。 たとえ水中に余分な電子があるとしても、電子の電荷は微量であるため、総電荷は小さくなります。 基本的に、目に見えるもののほとんどは電気的に中性であり、電気的な力はありません。

一度、衣類乾燥機から靴下を取り出したら、それがシャツにくっついてしまったことを覚えていますか? それが静電気の相互作用である場合、靴下はどのようにして帯電したのでしょうか?

靴下をマイナスに帯電させる方法は 1 つだけです。靴下に陽子よりも多くの電子を持たせることです。 大量の電子、おそらく 1013 個程度の追加電子が必要になります。 (この数字がどれほど大きいかを知るために、地球上のすべての人にシングルで 1,000 ドルを与えるのに必要な紙幣の総数になります。) これらすべての余分な電子により、靴下には全体で約 1 のマイナスの電荷が与えられます。マイクロクーロン (1 x 10-6 C)。

同じ靴下をプラスに帯電させたい場合は、電子を追加する代わりに電子を除去します。 これにより、靴下には電子よりも多くの陽子が残り、全体的に正電荷になります。 しかし、ほとんどの物体から陽子を自由に取り除くことはできません。 まあ、できますが、それは非常に悪いかもしれません。 元素の周期表を思い出してください。 原子核に 6 つの陽子を持つ炭素でできた物体から始めるとします。 これらの陽子の 1 つを取り除くと、それは炭素ではなくなります。 それは 5 つの陽子を持つホウ素であり、核反応を引き起こすことになります。

ミネソタ州パース

ローレン・グッド

ジョエル・カリリ

ジュリアン・チョッカトゥ

一方、炭素から電子を奪えば単なる炭素イオンになります。 別の元素に変化するわけではありません。

わかりましたが、電子を追加または削除するにはどうすればよいでしょうか? 実際には 2 つの選択肢しかありません。 最も一般的な方法は、表面をこすって電子を一方の表面からもう一方の表面に移動させることです。 ばかげているように思えるかもしれませんが、それは本当です。 プラスチックのペンを手に入れてウールのセーターにこすると、ペンとセーターの両方が帯電します。 しかし、どちらが電子を受け取るのでしょうか？ 答えは 2 種類の材料によって異なります。そして、摩擦帯電系列と呼ばれるものを利用してそれを知ることができます。 これを使用すると、羊毛はプラスに帯電し、ペンはマイナスに帯電していることがわかります。

別の例が必要な場合は、プラスチック製の遊び場の滑り台に綿のシャツをこすり付けると、次のようになります。

この場合、写真に写っている子供（私の息子の一人の古い写真です）は、シャツをプラスチックにこすり付けたまま滑り台を滑り落ちました。 それらの余分な電子は彼の体中に広がり、髪の毛に入りました。 すべての髪はマイナスに帯電しているため、各髪は他の髪を反発します。 彼らが他の集団からできるだけ遠くへ行く唯一の方法は、立ち上がることだった。

これは素晴らしい写真ですが、これを実現するには 2 つのことが必要です。 まず、非常に細くて軽い髪が必要です。 （巻き毛はカールしたままで立ちません。） 次に、空気が乾燥している必要があります。 電気を帯びた子供は水を引き付けることがわかりました。その理由は下で説明しますが、水が当たると帯電が解消されます。

余分な電子を物体に当てる別の方法があります。それは、物体に向かって電子を発射することです。 そう、「電子銃」というものがあるのです。 しかし、おそらくあなたは、これに似たものをすでに見たことがあるのではないでしょうか。古いスタイルのブラウン管テレビは、電子の流れを発射して画面に衝突させ、美しい画像を作成していました。 そのため、触れずに充電することが可能です。

N95 マスクを着用している場合、阻止したいのは人の鼻や口から出てくる小さな濡れた塊であり、ウイルスを運ぶ可能性があります。 これらは基本的に無課金です。

帯電した N95 フェイスマスクは、帯電した物体を阻止するのにのみ適していると思われるかもしれませんが、帯電していない物体と帯電した物体の間で相互作用を行うことは可能です。

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まずは自宅でできる簡単なデモンストレーションから始めましょう。 プラスチックのペン (またはその他の小さなプラスチックのもの) と、買い物用のプラスチック袋の ​​1 つを用意します。 次に、ペンをバッグでこすります。 帯電するはずです。 うまく動作しない場合は、材料を変更する必要があるかもしれません。プラスチックのペンを羊毛や髪の毛にこすりつけてみるとよいでしょう。 次に、紙を細かくちぎってテーブルの上に置きます。 充電したペンを紙に近づけると、魔法のような物理現象が起こります。

私の場合は次のとおりです。 私は小さなプラスチックのパイプを使用しています。ペンよりも効果的です。

これらは正味料金がかからない単なる普通の紙です。 では、なぜ彼らはプラスチックに惹かれるのでしょうか？

答えは二極化です。 紙の分子の最も単純なモデルを考えてみましょう。 この紙の分子に見せかけたものは、陽子と電子という 2 つの荷電粒子だけを含む球体です。 (周期表に戻って考えてみると、はい、これは水素紙になります。いいえ、まったく存在しません。)

これについての私のモデルは次のとおりです。

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原子の中では、負の電子は青い領域に広がるように作用します。 私たちはそれを「電子雲」と呼んでいます。 奇妙に思えるかもしれませんが、分子のような小さな物体では奇妙なことが起こります。 重要なことは、負の青い雲の中心が正の電荷と同じ位置にあるということです。 この状態では無偏光です。

ここで、正に帯電したペンを紙の分子に近づけたとしましょう。 電子雲はペンに向かって引き寄せられ（逆に帯電しているため）、正の陽子は押しのけられます。

紙の分子は次のようになります。

(注: これは正しいスケールには程遠いです。)

紙の分子は極性を帯びています。 プラスのペンは、マイナスの電子とプラスの陽子の両方と相互作用します。 ただし、負の電子雲の効果的な位置は陽子よりもペンに近いです。 電荷間の電気力の大きさは、分離距離が増加するにつれて減少します。 これは、ペンと電子の間の引力が、ペンと陽子の間の反発力よりも大きいことを意味します。 したがって、たとえ紙が中立であっても、紙をペンに向かって引っ張る全体的な引力が存在します。

はい、それは 1 つの分子にすぎません。しかし、同じことが紙片内のすべての分子で起こった場合、引力を得ることができます。 それはクールですよね？

私のデモで、紙の一部がプラスチックのパイプに引き付けられ、その後反発されることに気づきましたか? そういうことが起こり得るのです。 紙がプラスのパイプに当たると、マイナスの電子の一部が紙からペンに移動します。 これで紙もプラスになり、ペンが紙をはじいて飛んでいきます。

同様のことが水でも起こりますが、技術的には異なります。 実際、これも試してみるのに最適なデモンストレーションです。充電済みのプラスチック ペンを用意し、蛇口から出る非常に細い水流の近く​​にペンを近づけます。 何が起こるかというと、次のとおりです。

水滴の一部が、帯電したパイプの周囲を部分的に囲む程度に引き寄せられることに注意してください。 なぜ水がこんなことをするのでしょうか？ 水の分子は 2 つの水素原子と 1 つの酸素 (そうです、H2O) で構成されています。 しかし、これらの原子の配置方法により、永久的な電荷分離が存在します。 大まかなモデルは次のとおりです。

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たまたま、このように作用する 2 つの水素原子がよりプラスであり、酸素がマイナスであるかのように作用するだけです。 結合の曲がった角度により、この水分子が分極されるように電荷分離が行われます。 帯電した物体の近くの水滴は、分子の逆に帯電した端が物体に面し、それに引き寄せられるように回転します。 帯電したプラスチック片で水の流れを曲げることができるのはこのためです。

ここで、電気を帯びたペンと水に似たものを、はるかに小さいスケールで想像してみてください。 ペンの代わりにプラスチックの繊維の束を使います。 水の代わりに、誰かの口から飛び散る水滴があります。 これは本質的に N95 マスクで起こっていることです。 マスクの繊維がそれらの飛沫を引き寄せ、着用者が飛沫を吸い込むのを防ぎます。 非常に小さなスケール (呼吸器エアロゾルや繊維など) では、ファンデルワールス相互作用と呼ばれるものにより、物がくっつく傾向があります。 これは基本的に、非常にわずかな電荷分離による 2 つの非帯電物体間の引力相互作用です。

N95 ファイバーを使用すると、充電するために他の素材でこする必要がありません。 マスクの繊維は「エレクトレット」素材から作られています。 この言葉は電気と磁石を組み合わせた造語です。 いいえ、これは電磁石ではありません。冷蔵庫の棒磁石と同じように、永久に帯電した物体です。

エレクトレット材料を作成するにはいくつかの方法があります。 1つは、電子を物質に衝突させて、電子をファイバーに閉じ込めて、帯電したままにすることです。 もう 1 つの方法は、電界中で材料を加熱することです。 温度が上昇すると、電場との相互作用により、材料内の分子が回転して分極状態になります。 材料が冷えると、分子は分極したままになります。 これにより、まだ中性に帯電しているにもかかわらず電気効果を生み出すという点で、少し異なるエレクトレット材料が作成されます。

したがって、N95 マスクのエレクトレット繊維は、小さな粒子の邪魔をしてブロックするだけでなく、電気的相互作用によって粒子を引き付けることができるため、繊維にくっつきます。 これは、ウイルスを含んだ水滴を吸い込まず、マスク着用者が感染しないことを意味します。 もちろん、N95 は、ほこり、塗料、その他の有毒物質など、人が体内に吸い込むのに適さない可能性のある他の小さな粒子もブロックします。

N95 マスクは、この恐ろしいパンデミックを乗り越えるのに役立つだけでなく、素晴らしい物理学を教えることもできます。

2022 年 1 月 28 日午後 4 時 48 分 (東部標準時) 更新: この記事は、水分子の原子における電荷分離に関する情報を修正するために更新されました。