книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

При зарядке аккумулятора серебро окисляется до окиси серебра, а цинк восстанавливается до металлического состояния из цинката цинка с образованием щёлочи.

Серебряно -цинковый аккумулятор весом 4,5 кг может выдать раз- рядныйток 1500 а,что имеетбольшое значение на электротранспорте

сего неравномерной нагрузкой.

Визобретенииа. с.1067553 на«Серебряно-цинковыйаккумулятор» для улучшения его электрических характеристик отношение толщи- ны слоя сепаратора (разделителя пластин) на основе асбеста к тол- щине пластины анодного электрода установлено в пределах 0,1 ÷ 0,2.

Без аккумуляторов невозможно движение автомобильного транс- порта,подводных судов,летательных аппаратов.Важная рольаккуму- ляторов в электротехнике, научных установках, экологически чистой энергетике.

Электрохимический механизм непрерывного получения электроэ- нергии реализован в топливных гальванических элементах (электро- химических генераторах).

Водород (восстановитель) или топливо и кислород (окислитель) через специальные пористые электроды покрытые платиной (ката- лизатором) непрерывно подаются в щелочной раствор разделённый мембраной, которая установлена между электродами. Если замкнуть электроды на внешнюю цепь,то возникает э. д. с.

КПДтопливных гальванических элементовдостигает55 %,что зна- чительно выше используемыхтеплового,паротурбинного,гидроэлек- трического, атомного и экологически чистого способов производства электроэнергии. Топливные гальванические элементы или водород- ные электрохимические генераторы (ЭХГ) нашли применения в кос- мическойтехнике.Делаются попытки приспособитьих к автомобилю, снабжённому электродвигателем, аккумуляторами и баллонами с во- дородом и кислородом.

Когда нет подходящего источника тока с нужными электрически- ми характеристиками, несколько имеющихся источников тока соеди- няют в батарею.

Для соединения нескольких источников тока в батарею важно чтобы источники тока были одинаковыми по своим электрическим характеристикам. Неодинаковость электрических характеристик ис- точников тока пагубно влияет на работу собранной батареи и её со- ставных частей.

Для получения больших напряжений и больших внутренних со- противлений несколько одинаковых источников тока соединяют по- следовательно в батарею.

Э. д. с. и внутреннее сопротивление такой батареи возрастает до суммы э. д. с. и внутренних сопротивлений составляющих её галь-

140

ванических элементов.Ток не превышает возможности одного источ- ника, а электрическая ёмкость не превышает ёмкости одного источ- ника тока.

Для получения большей электрической ёмкости несколько одина- ковыхисточниковтока соединяютпараллельно,приэтомнапряжение батареи будет равно э. д. с. одного источника тока.

Параллельно — последовательное соединение нескольких одина- ковых источников тока позволяет увеличить напряжение и электри- ческую ёмкость батареи.

Перспективным направлением являются проточные окислитель- но — восстановительные аккумуляторы (разработка МГУ) для хране- ния большого количества избыточной энергии. Аккумулятор содер- жит камеру, состоящую из положительных и отрицательных ячеек, разделённых мембраной.Электролитиз ёмкости прокачивается через камеру, в ячейках которой сам электролит заряжается (испытывает химическое превращение) посредством электрохимической реакции, и возвращается обратно в ёмкость.Для получения электроэнергии за- ряженный электролит из ёмкости прокачивается через те же ячейки камеры и посредством обратной электрохимической реакции возвра- щает химически накопленную электроэнергию в сеть. Электрическая ёмкость проточного аккумулятора определяется объёмом сосуда для хранения электролита, площадью мембраны и количеством ячеек. В качестве электролита использован раствор солей ванадия. Техни- ческим преимуществом проточного ванадиевого аккумулятора в том, что в паре ячеек, на электродах которых идёт окисление и восстанов- ление, находятся растворы солей одного металла — ванадия, ионы которого весьма стабильны. А так как через мембрану, разделяющую две химически противоположные по реакциям части камеры,должны проходить (сепарироваться) только определённые ионы,то она долж- на быть исключительно химически стойкой.

Химическая энергия в проточном ванадиевом аккумуляторе запа- саетсяненаэлектродах,какуобычныхаккумуляторов,авэлектролите. Это позволяет накапливать энергию в промышленных объёмах в усло- виях,когдаиспользуетсябесплатнаяэнергия:энергияветра,солнечной активности и других источников возобновляемой энергии.

В отличие от газов в электролитах (в проводниках с ионной про- водимостью)законыОмасоблюдается.Длязамкнутойцеписодержа- щей источник тока полное сопротивление слагается из внутреннего сопротивления источника тока (сопротивление электродов плюс сопротивление столба электролита между ними) и сопротивления внешней цепи.

Ток в такой цепи пропорционален э. д. с. (E) источника тока и об- ратно пропорционален полному сопротивлению цепи [I = E/(r +R)].

141

Напряжение во внешней цепи меньше величины э. д. с. источника тока на величину его внутреннего напряжения (U = E —I . r,где U = I . R, а I . r = u) и зависит от величины тока (I). Чем больше ток, тем меньше напряжение.

При разомкнутой цепи (I = 0) напряжение на полюсах источника тока равно его э. д. с.

При коротком замыкании полюсов источникатока (R = 0) величина тока определяется внутренним сопротивлением источника идостига- ет максимального значения (Iмакс = E/r).Разрушительное действиетока короткого замыкания во внешней цепи зависитотвеличины э. д. с.ис- точника тока, имеющего при этом в сравнение с ним незначительное внутреннее сопротивление. Предотвращение опасного воздействия тока короткого замыкания обеспечивается средствами автомати- ческой защиты и предохранителями, повышенными требованиями к изоляции и сечению проводов.

Электропроводимость твёрдых тел

Вотличиеотэлектролитовпроводники1класса(металлы)припро- хождении электрического тока не испытывают никаких химических изменений. Они сохраняют свою структуру и механические свойства. Электропроводность металлических проводников в несколько сотен тысяч раз больше самых лучших электролитов и миллиарды раз пре- восходятэлектропроводность полупроводников.Это объясняетсятем, что носителями электрических зарядов в металлах являются самые лёгкие носители (2000 раз меньше по массе самого лёгкого атома во- дорода) — свободные (блуждающие) электроны, образующие в них «электронный газ», находящийся в непрерывном тепловом (хаотич- ном) движении. Атомы и ионы составляют остов или кристалличе- скую решётку металла, которая является естественным препятствием для прохождения электрического тока — направленного и упорядо- ченного движения электронов. Разность электрических потенциалов на концах проводника переводит беспорядочное тепловое движение свободных электронов в упорядоченное движение, представляющее собой «электронный ветер», вызванный внешним электрическим по- лем.Испытывая в своём движении столкновение с атомами и ионами остова проводника, электроны испытывают сопротивление своему движению, которое названо электрическим сопротивлением.

Вявлении сверхпроводимости у некоторых материалов при низ- койтемпературе электрическое сопротивление исчезаетидостаточно толчком привести электроны в движение, чтобы электрический ток существовал длительное время без постоянно приложенной разности электрических потенциалов. Электроны не могут покинуть остов или

142

кристаллическую решётку проводника и находятся в поле притяже- ния её атомов и ионов. Для выхода за поверхность металла требуется энергия извне, в частности, тепловая. Нагрев тугоплавкого металла свыше 1500 0 С позволяет испарять электроны, которые под действи- ем электрического поля переходят в упорядоченное движение.Из ме- таллов испаряются только электроны, положительные ионы остаются в кристаллической решётке проводника. Это явление получило на- звание термоэлектронной эмиссии (рассмотрено выше).Электроны испускаются нагретым катодом в вакуумных электронных приборах и электронной пушкой при электроннолучевой сварке и плавке.

Однако, электроны могут покидать проводник под действием све- та. Явление получило название фотоэлектрического эффекта (фото-

эффекта).

Электрическийтоквпроводниках,испытываясопротивление,про- изводит тепловое действие, а так же магнитное действие (движение электронов омагничивает проводник). Скорость распространения из- менений электрического поля или передача действия одних зарядов на другие близка к скорости света, а перемещение носителей зарядов (например, электронов) очень медленное из — за соударения с други- ми электронами, с ионами и атомами проводника.

Разность электрических потенциалов аналогична разности давле- ний жидкости текущей в трубе. Электрический ток в проводнике су- ществует под действием электрического напряжения (разности элек- трических потенциалов на концах проводника).

Сила тока это количество заряда прошедшего через сечение про- водника за единицу времени (I = g/t), измеряется в амперах. В прово- дниках законы Ома соблюдаются.

Силатока пропорциональна напряжению между выбраннымиточ- камипроводникаиобратнопропорциональнаэлектрическомусопро- тивлению проводника (I = U/R или U = I . k). Обратная величина сопро- тивления называется электрической проводимостью (1/R = k) данного проводника (чем больше сопротивление,тем меньше проводимость). Увеличение сопротивления означает увеличение помех движению электронов под действием приложенного напряжения. Отношение напряжения к току или сопротивление есть величина постоянная для металлических проводников, угля и электролитов (кроме иони- зированных газов: электропроводность ионизированного газа близка к «короткому замыканию» электродов). Сопротивление проводника пропорционально его длине, удельному сопротивлению материала и обратно пропорционально его сечению (R = ρ L/s).Удельное (то есть, значение единицы определённого физического свойства тела: массы, объёма, плотности) сопротивление ρ зависит от рода материала про- водника при 00 С. Часто используется обратная величина, названная

143

удельной электропроводностью (σ= 1/ρ).Чем больше удельное сопро- тивление,тем меньше электропроводность. Сопротивление металли- ческих проводников зависит от температуры: при её повышении со- противление увеличивается (у электролитов и угля уменьшается).

Зависимость электрического сопротивления металлических про- водников от температуры имеет техническое преимущество при из- мерении очень высокой температуры и очень низкой температуры.

Втермометрах сопротивления для высоких температур используется тугоплавкая платина, для низких температур — константан. Спирали из таких материалов помещают вовнутрь среды, температуру кото- рой необходимо измерить, включают в цепь и измеряют сопротивле- ние, по которой можно определить значение температуры.

Электрические цепи это совокупность различных проводников имеющих собственные сопротивления соединённые определённым образом. При последовательном соединении проводников сопротив- ление участка цепи равно сумме сопротивлений составляющих его

проводников (R = R1 + R2 + R3).

Припараллельномсоединениипроводниковэлектропроводимость участка цепи равно сумме электропроводимостей составляющих его

проводников (1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3). Сопротивление сложных цепей определяют из совокупности параллельных и последовательных сое- динений проводников.

Спомощью регулируемых сопротивлений — реостатов (делите- лей напряжения или потенциометров) можно менять сопротивление цепи.

Напряжение цепи приходящеетолько налинии цепи называютпо- терянным.Онотем больше,чем больше сопротивление линии и боль-

ше ток в цепи. Принятые «потери в проводах» исчисляют в потерях на нагрев (I 2 . R) за определённый промежуток времени эксплуатации.

Втакой квадратичной зависимости,чем меньшеток (меньше 1 а),тем меньше потери. Если сопротивление постоянно, то при увеличении тока потери на нагрев растут в квадратичной зависимости.

При помощи гальванометра можно измерять согласно закону Ома как величину тока в цепи, так и напряжение участка цепи (напряже- ние иток пропорциональныдругдругу).Гальванометр,шкала которо- го проградуирована в единицах тока, называют амперметром, а если она проградуирована в единицах напряжения — вольтметром (может быть проградуирована и в других физических единицах, например единицах температуры). Наиболее простой гальванометр (рисунок на стр. 145) основан на тепловом действии тока, вызывающего удли- нение проводника 1 с током, содержит рычажную систему 2 с пружи- ной, преобразующую это удлинение в перемещение стрелки («а» — тока нет, «б» —ток есть).

144

Гальванометр базовая часть и для других измерительных прибо- ров и может быть сконструирован на любом действии тока (электро- магнитном, тепловом, химическом). Амперметр включается в цепь последовательно в любом месте цепи при измерении установившего тока. Его собственное сопротивление должно быть минимальным.

Для измерения больших токов (больших тех, на что он рассчи- тан) применяют шунтирование — подключение к нему параллельно меньшего в несколько раз сопротивления,чтобы через гальванометр проходили очень малые токи, а через шунт большие, близкие номи- нальным.

Вольтметрподключаетсяпараллельноклюбымточкамцепи,чтобы измерить разность электрических потенциалов (напряжение) между ними.Его собственное сопротивлениедолжно бытьмаксимальным,и, чтобы повысить его, последовательно к нему включают дополнитель- ное (добавочное) сопротивление. Это позволяет существенно снизить искажения вносимые вольтметром при измерении напряжения.

Тепловое действие электрического тока самое распространённое явление. По закону Джоуля — Ленца количество тепла, выделяющееся в неподвижном проводнике при прохождении через него тока, про- порционально сопротивлению проводника,квадрату силытока и вре- мени,втечениекоторогоонподдерживалсявпроводнике(Q=c . I 2 . R . t

или Q = 0,24 . I 2 . R . t кал). Удобны так же формулы: Q = 0,24 . t . U 2/R или

Q = 0,24 . U . I . t. Мощность постоянного тока равна работе за единицу времени на любом участке цепи и выражается произведением силы тока на напряжение между концами участка (P = U . I или P = I 2 . R), из- меряется в ваттах.

Тепловое действие электрического тока имеет наиболее востребо- ванное применение в различных технологических процессах. Извест- но,что всё джоулево тепло выделяется на ограниченных участках (от- дельных точках) с большим сопротивлением при больших токах. Это используется при контактной сварке листовых материалов имеющих значительное удельное сопротивление, например сталь.

145

Металлические пластины в месте контакта медных электродов сдавливаются и при прохождении большоготока,плавясь,сваривают- ся. В различных нагревательных приборах и печах используется те- пловое действие электрического тока.

В промышленных и бытовых сетях нагрев линий, например при коротком замыкании (КЗ), является недопустимым. Для предотвра- щения опасного разогрева линий применяются предохранители, бы- стродействующие коммутационные аппараты, системы автоматиче- ского отключения сети и переключения на резервные линии.

Электрическийтокспособеннетолькочто-тонагревать,ноиохлаж- дать.

дников, и характеризуется переносом тепловой энергии от одного проводника к другому.

Эффект наиболее выражен у полупроводников. В зависимости от направления протекающего тока, помимо обычного джоулева тепла в спае выделяется или поглощается дополнительное тепло, на- званное «теплотой Пельтье».Объясняется этотем,что в контакте двух разнородных веществ имеется контактная разность электрических потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное электрическое поле. При протекании через контакт электрического тока это поле либо способствует прохождению тока, либо ему препятствует. Если ток направлен против контактного поля,то внешний источниктратит дополнительную энергию на его преодоление, которая, превращаясь в тепло, выделяется в месте контакта, что приводит к его разогреву. Если направление тока совпадает с направлением контактного поля, то это поле освобождает внешний источник от необходимости пере- мещатьзарядывспаеисамосовершаетработупоперемещениюзаря- дов от одного проводника к другому, при этом необходимая энергия отбирается у второго проводника, что приводит к их охлаждению.

На элементах (или модулях) Пельтье действует термоэлектриче- ский холодильник, в частности полупроводниковый холодильник Пельтье с КПД порядка 20 %.

В рассмотренном ранее изобретении а. с. 504932 на «Сигнализа- тор уровня» легковоспламеняющихся жидкостей, например топлива, устранялась возможность искрообразования (выделения тела) при

146

замыкании электрических контактов поплавка и корпуса, в котором поплавок находится, включённых в цепь питания индикатора пока- зывающего уровеньтоплива в баке.

Авторы изобретения применили прямой термоэлектрический эф- фект — эффект Зеебека. Учитывая выше изложенное, проще было бы применить обратный термоэлектрический эффект — эффект Пельтье, не меняя схему измерительной цепи. Для этого контакты поплав- ка и корпуса можно было бы выполнить из пары материалов, через контакт которых проходящий ток определённого направления вы- зывал бы его охлаждение, например, железо на корпус, а константан на поплавок (с образованием железо-константановой термопары).

Можно было бы предложить вы- полнить контакты поплавка и кор- пуса соответственно из полупрово- дников p- и n-типа (рисунок справа), которые при соприкосновении обра- зовали бы «p–n-переход», при этом «плюс» аккумулятора подключить

к полупроводнику n-типа, а «минус» к полупроводнику p-типа.

При необходимости, для каких-то целей в салоне автомобиля мог бы использоваться и второй спай, периодически нагревающийся при прохождении тока этого направления,например,обогревать вре- мя от времени зеркало заднего обзора.

Полупроводники это подавляющее большинство веществ, зани- мающие промежуточное положение между отличными диэлектри- ками и очень хорошими металлическими проводниками. Электро- проводимость полупроводников (без примесей, то есть собственных полупроводников) противоположна электропроводимости металли- ческих проводников и изоляторов и имеет некоторое сходство с элек- тропроводимостью электролитов. Электронные (n-типа) полупрово- дники имеютв качестве носителей зарядов свободные электроны,как и металлические проводники,а не ионы,однако удельная их электро- проводимость многократно ниже. Связано это с тем, что концентра- ция электронов проводимости в полупроводниках n-типа во многие тысячиидажемиллионыразменьше,чемвметаллическихпроводни- ках. В результате, зависимость сопротивления от температуры у них прямо противоположная: с повышениемтемпературы сопротивление металлических проводников растёт, а электропроводимость убыва- ет (подвижность электронов уменьшается из-за тесноты свободных электронов,число которых не растёт),тогда как электропроводимость полупроводников при повышении температуры растёт, а удельное сопротивление убывает (при уменьшении подвижности электронов их число лавинообразно возрастает). При достаточно высокой тем-

147

пературе проводимость полупроводника n-типа близка к проводи- мости металлических проводников. При очень низких температурах полупроводники n-типа имеют ничтожное количество свободных электронов и становятся практически хорошими изоляторами. Для увеличения числа свободных электронов в полупроводниках необхо- димо электроны из «связанного» с ядрами атомов состояния переве- сти в «несвязанное», то есть сообщить им определённое добавочное количество энергии извне, например теплоты, чтобы они стали сво- бодными. Величина этой энергии, называемая энергией ионизации, дляразныхвеществразлична,новпределахотдесятыхэлектронвольт до нескольких электронвольт.

В металлических проводниках силы молекулярного взаимодей- ствия таковы, что вполне достаточны для отщепления части электро- нов от атомов кристаллической решётки.

Кроме теплоты, повышающей внутреннюю энергию полупрово- дника,электронам можетпредаваться и энергия света.Поддействием света сопротивление таких полупроводников значительно уменьша- ется.

Явление поглощения световой энергии полупроводниками назы- вается внутренним (то есть, внутри полупроводника) фотоэлектри- ческим эффектом или фотопроводимостью.Электрон после разрыва связи с атомом становится лишним, переходит свободно из ячейки в ячейку (в атом) и переносит с собой избыточный отрицательный за- ряд, становясь электроном проводимости.

Разорванная где-то связь (названная «дыркой») становиться блуж- дающей, так как в условиях обмена электрон соседней связи быстро занимает место ушедшего электрона.

Вполупроводниках непрерывно идут два противоположных про- цесса: освобождение электронов (ионизация атомов) и воссоедине- ние электронов с ионизированными атомами (процесс их нейтрали- зации). Оба процесса находятся в динамическом равновесии.

Вметаллических проводниках концентрация свободных электро- нов оченьвелика и большинство атомов находится вионизированном состоянии, поэтому электропроводимость их полностью обусловлена движением свободных электронов.

Вполупроводниках концентрация свободных электронов гораздо ниже, поэтому механизм освобождения электронов из связанного со- стояния сопровождается ионизацией нейтральных атомов с последу- ющейнейтрализациейобразованныхионовпутёмзахватаэлектронов

усоседних нейтральных атомов, обращая их в ионы. Этот механизм имеет хаотично динамический характер.

Обмен электронами между ионами и окружающими их нейтраль- ными атомами приводит к образованию новых ионов, которые в сво-

148

ёмдвижениипредставляютсобойвиртуальноедвижениеположитель- ных зарядов, получивших название «дырок».

Под действием внешнего электрического поля оба процесса полу- чают преимущественное направление: свободные электроны движут- ся против поля, а положительные — по полю. Оба перемещения дают ток по направлению внешнего электрического поля, а результирую- щая электропроводимость обусловлена обоими процессами, которая называется собственной электрической проводимостью полупрово- дников. Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл полупроводника, называют полупроводниками с собствен- ной проводимостью. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у собственных (то есть без примесей) полупрово- дников (или полупроводников смешанного типа). В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок». Подвижность дырок ниже, чем подвижность электронов.

Однако, чистых без примесей полупроводников не бывает. Примеси, которые превращают полупроводники в электронные

полупроводники (полупроводники n-типа), называются донорными, например, с примесью мышьяка таковым становиться германий.

Примеси, которые превращают полупроводники в «дырочные» (положительно ионные) полупроводники (полупроводники p-типа), называются акцепторными, например, с примесью индия таковым становиться тот же германий.

Эти полупроводники с противоположным движением зарядов или противоположными качествами одного рода.

Качеством одного рода является то, что оба движения образованы движением электрона,а противоположны потому,что одно движение это собственное движение свободных электронов, а другое — вирту- альное движение дырок или разрывов связи электрона с атомом.

Простыми полупроводниками являются следующие химические элементы: углерод C (алмаз и графит),германий Ge,кремний Si,серое олово α-Sn, селен Se, а также как примеси и самостоятельно бор B, се- лен Se, сера S, сурьма Sb,теллур Te и йод.

К сложным полупроводникам относят бинарные соединения: со- держащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, тел- лур —теллуридами, углерод — карбидами, а так же фосфид индия.

Известно, что приборы, работающие на электричестве, со време- немнагреваются.УченыеизСШАпоказали,чтонагревненаблюдается

воксиде (диоксиде) ванадия (полупроводник n-типа,оченьтоксичен)

вмомент его «переключения» при температуре 68 0 С с материала, яв- ляющегося практически изолятором, на проводящий металл.

149