Материалы студенческой научно-практической конференции «Студенчество и техника» (стр. 2 )

Особенностью кристаллов типа Ме3H(АO4)2

где Ме - Rb, Cs, (NH4) ; А - S, Sе.

является наличие плоскостей образованных тетраэдрами SеO4, вершины которых связаны протонной связью (см. рис 2). Поэтому проводимость в плоскости [001] и значительно выше, примерно в ~50 раз, чем в плоскостях [100] и [010].

с

а в

Рис.2 Механизм перескока протона происходящий с разрывом водородной связи в кристаллах типа CsHSО4 в суперионной фазе:

- протон, тетраэдр - SO4, водородная связь, - разорванная водородная связь, - образованная водородная связь.

с

в

а

Рис. 3 Схема водородных связей в кристаллах типа М3H(АO4)2 в суперионной фазе.

- тетраэдры SеO4 располагающиеся над плоскостью рисунка,

- тетраэдры SеO4 располагающиеся под плоскостью рисунка,

- направление прыжка протона,

- возможная водородная связь,

- разорванная водородная связь

Фазовый переход, происходящий в кристалле сопровождается изменением диэлектрической проницаемости ε. При температуре фазового перехода значения диэлектрической проницаемости начинают увеличиваться. Однако на частоте 1МГц это увеличение также происходит и из-за образования двойного электрического слоя. Наблюдения в поляризованном свете показали, что суперпротонный фазовый переход одновременно является и сегнетоэластическим.

В суперпротонной фазе кристалл разбит на блоки с разными направлениями кристаллографических осей. Более детальное изучение свойств кристаллов (NH4)3 Н (SO4)2 требует применения других методов исследований, которых нет в нашем колледже.

Библиографический список:

1. , ,Щагина проводимость и фазовые переходы в кристаллах CsHSO4 и CsDSO4 . Письма в ЖТЭФ №82,т.36,с.381-384.

2. , Щагина и структурные фазовые переходы в кристаллах группы Cs3H(SeO4)2 . Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по физике сегноэлектриков. Черновцы, 1986. Т. 2. С. 63

Магнитная жидкость. Научный руководитель: к. ф-м. н., доцент,

Старицын Сергей – студент группы 1Т2 специальности 1705 «Техническое обслу- живание и ремонт ав- томобильного тран- спорта». Обладает способностью сконцентрировать усилия для достижения поставленных целей, выдержанный, настойчивый., обязательный., открытый, активный. Увлекается техникой, компьютером, хороший организатор.

Магнитное поле притягивает или отталкивает все вещества. Но на большинство оно действует настолько слабо, что это удается обнаружить только специальными приборами. Можно ли усилить магнитные свойства материала? Инженеры давно мечтают о системах, которые позволили бы придать некоторым веществам или телам магнитные свойства, при этом абсолютно не разрушая их структуры и мало изменяя их исходные свойства.

Пятьдесят лет назад была запатентована оригинальная конструкция механической муфты – устройства для передачи вращения от одного вала к другому. Муфта содержала смесь железного порошка и масла. Под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим по катушке, жидкость «твердела», и тогда два вала начинали работать как единое целое. При отсутствии же поля крутящий момент не передавался. Однако такая жидкость является капризной, в ней появлялись комки, и она не хотела твердеть. Поэтому магнитные порошковые муфты долго не находили применения (1).

Все изменилось, когда создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок.

Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков; магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной ( уг-леводороды и силиконы ) средах с помощью поверхностно – активных веществ или полимеров.

Они сохраняют устойчивость в течение двух – пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами (2). Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях. Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. Существует другой способ, который разработали отечественные ученые , и

Способ приготовления магнитной жидкости

1. Растворите в 500 мл дистиллированной воды ( можно при слабом подогреве и несильном помешивании) 24 грамма трехвалентной соли железа (хлорного или сернокислого) и 12 граммов двухвалентной соли железа (хлористого или сернокислого). 2. Полученный раствор отфильтруйте на воронке в другую колбу через фильтро-вальную бумагу для отделения механических примесей. 3. В первую колбу, предварительно промыв ее водой, залейте (осторожно) около 100-150 мл аммиачной воды (работу лучше проводить под тягой или на открытом воздухе). 4. Очень осторожно, тонкой струей вливайте из второй колбы отфильтрованный раствор в первую, содержащую аммиачную воду, и интенсивно взбалтывайте ее. Коричневато-оранжевый раствор мгновенно превратится в суспензию черного цвета. Долейте немного дистиллированной воды и поставьте колбу с образовавшейся смесью на постоянный магнит на полчаса. 5. После того как образованные частицы магнетита в виде «дождя» под действием сил магнитного поля выпадут на дно колбы, осторожно слейте около двух третей раствора в канализацию, удерживая осадок магнитом, и снова залейте в колбу дистиллированную воду. Хорошенько ее взболтайте и опять поставьте на магнит. Операцию повторяйте до тех пор, пока рН раствора не достигнет 7.5 – 8.5 (нежно – зеленая окраска индикаторной бумаги при смачивании ее промывным раствором). 6. После того как последний промывной раствор на две трети слить, загущенную суспензию отфильтруйте через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок черного цвета смешайте с 7,5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты. 7. Смесь поместите в фарфоровый стаканчик и прогрейте до 80 градусов С на электрической плитке, хорошо перемешивая, в течение часа. 8. Полученную «патоку» черного цвета охладите до комнатной температуры, долейте 50 – 60 мл дистиллированной воды и тщательно размешайте получившуюся коллоидную систему. 9. Разведенную водой «патоку» подвергните центрифугированию при 4000 об/мин в течение одного часа или еще раз поставьте стаканчик с ней на кольцевой магнит. Перелейте полученную магнитную жидкость в химический стакан и поднесите снаружи магнит. Жидкость потянется за ним. После того как вы уберете магнит, на стекле останется след от жидкости. Он должен иметь коричневато – оранжевую окраску и не содержать посторонних частиц. 10. Хранить водную магнитную жидкость желательно в пластиковой светонепроницаемой таре в прохладном месте.

Практическое применение магнитной жидкости основано на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Приведем самое простое применение. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники это краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прерывать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Ни один кран надежным назвать нельзя, его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе см. рис. 1 .

Рис. 1 Клапан с использованием магнитной жидкости.

В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана; один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый.

Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться, и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном.

Еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно–жидкостные муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того магнитная жидкость, на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов, служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволят жидкости вытекать из зазора, работоспособность устройства увеличивается в пять раз! Магнитные жидкости можно также использовать для закрепления деталей при обработке, см. рис.2.

Рис. 2 Магнитная жидкость применяется для удобного, временного

закрепления деталей.

Можно разработать устройство, которое будет преобразовать энергию колебательного движения в электрическую. Оно представляет собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью см. рис 4.

Рис. 3. Установка для преобразования механической энергии в электрическую

Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии ( данном случае с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки.

Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном и ручном инструменте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалом, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта.

Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно - охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.

Топливные элементы Научный руководитель: к. ф-м. н., доцент,

Костылев Александр – студент группы 1Т2 специальности 1705 «Техническое обслу- живание и ремонт авто- мобильного транспорта». Техникой увлекается недавно. Грамотно вы- полняет порученные ему задания, настойчивый., обязательный и актив-ный. Владеет компьютерной техникой.

Топливные элементы (ТЭ) относятся к химическим источникам энергии, в которых энергия химических реакций непосредственно преобразуется в электрический ток. Как известно, существуют три типа химических источников тока:
– гальванические элементы (ГЭ) (одноразовое использование),
– аккумуляторные батареи (АБ) (многоразовое использование);
– топливные элементы (вырабатывающие ток по мере подачи реагентов).

Их еще называют электрохимическими генераторами.
Первые два типа источников тока известны достаточно хорошо и широко используются, чего нельзя сказать о ТЭ, которые эксплуатируются в основном пока на космических аппаратах, хотя область возможного их применения значительно шире, чем у ГЭ и АБ. Она определяется условиями протекания химической реакции, основными характеристиками и конструктивными особенностями ТЭ.

В отличие от аккумуляторных батарей (которые являются вторичными источниками энергии) ТЭ не требуют перезарядки. Компоненты реакции в них заранее не закладываются, как это имеет место в ГЭ, которые после израсходования компонентов приходится выбрасывать. В ТЭ топливо и окислитель подаются по мере необходимости, т. е. тогда, когда необходим электрический ток.

Типовой ТЭ имеет два электрода – анод и катод, разделенные электролитом. На катоде осуществляется процесс получения ионов кислорода, которые через электролит переходят на анод, где вступают в реакцию с водородом, содержащимся в поступающем топливе, а освобождающиеся электроны поступают в цепь нагрузки.

В гг. американским специалистам удалось решить целый ряд принципиальных проблем и осуществить технологический прорыв, содержание которого заключается в:
– оптимизации процесса протекания химической реакции в топливном элементе в результате повышения эффективности катализа;
– обеспечении невосприимчивости к загрязнениям и отработке методов их удаления;
– использовании новых материалов и конструктивно-схемных решений.
В целом разработки, проведенные за последние 10 лет, позволили:
– увеличить площадь реакции и величину тока, снимаемого с единицы поверхности электродов (доА/м2 при работе с чистым водородом и кислородом и до 4300 А/м2 – с воздухом и водородсодержащим газом);
– продлить срок непрерывной эксплуатации ТЭ до 5 лет;
– повысить эффективность преобразования энергии в электричество до 60…85 % (при утилизации выделяемого тепла) и удельную энергоемкость до 460…585 Вт ч/кг;
– значительно расширить диапазон используемых топлив;
– снизить стоимость ТЭ.
Наиболее распространенным классификационным признаком ТЭ является вид электролита. Выделяют семь основных типов топливных элементов.
В щелочных ТЭ (ТЭЩ) электролитом является едкий калий (КОН). Такие ТЭ использовались на космических аппаратах (КА) "Джемини", "Аполлон", "Спейс Шаттл". Они отличаются надежностью, имеют большую выходную мощность и малые габариты. Основным их недостатком является то, что KOH реагирует с двуокисью углерода, что затрудняет протекание реакции и требует тщательной очистки воздуха и топлива от СО2. На КА для этого использовался чистый кислород, для широкого применения такой процесс слишком дорог.
В фосфорнокислотных ТЭ (ТЭФК) электролит Н3РО2 не реагирует с СО2, и задача по очистке снимается. Эффективность преобразования энергии топлива в электричество составляет около 40 %. При комбинированном варианте использования, т. е. при утилизации выделяемого тепла (рабочая температура ТЭ составляет 204 0С) в турбогенераторах, эффективность достигает 85 %. ТЭФК первыми поступили на коммерческий рынок. Созданы и продаются портативные блоки с выходным напряжением 24 В и мощностью 250 Вт, пригодные для обеспечения питанием радиоаппаратуры и телевизоров. В США производятся блоки ТЭ мощностью 200 кВт для электростанций. Эти блоки были закуплены Японией для электростанции мощностью 11 МВт. Подобные установки планируется использовать в домах, на передвижных электростанциях, а также в качестве источников энергии для автобусов, электровозов и морских судов.
В ТЭ на расплаве солей угольной кислоты (карбонатов) (ТЭРК) в качестве электролита используется карбонат калия К2СО3 или карбонат лития Li2CO3. Рабочая температура, при которой электролит становится хорошим проводником, составляет 650 0С. Эффективность ТЭРК достигает 60 %, а при комбинированном варианте использования – более 80 %. Стоимость подобных ТЭ, как считается, будет ниже стоимости ТЭ на фосфорной кислоте. В штате Калифорния построено несколько маломощных электростанций, которые проходят сейчас всесторонние эксплуатационные испытания. Прорабатываются варианты использования ТЭРК на электростанциях, работающих на газе, получаемом при газификации угля, на тяжелых транспортных средствах и судах.
ТЭ на твердых окислах (твердый электролит) (ТЭТО) используют в качестве электролита окись иттрия, стабилизированную двуокисью циркония (Y2O3, ZrO2). Этот твердый керамический материал работает при температуре около 1000 0С. Процесс изготовления этих ТЭ можно автоматизировать. Эффективность преобразования энергии достигает 60 %, в комбинированном варианте – более 80 %. В качестве топлива может использоваться метан – основной компонент природного газа. Упрощенные требования к подготовке топлива, высокая удельная мощность, небольшая стоимость будут способствовать внедрению их на тяжелые транспортные средства.

В твердополимерных ТЭ (ТЭПМ) электролитом является полимерный материал, известный под названием "протонная мембрана" ("мембрана, обеспечивающая обмен протонами"). Элемент дешевле и проще по конструкции в сравнении со всеми предыдущими типами. Работает при низких температуре (от 66 до 150 0С) и давлении, имеет большую удельную мощность, способен быстро адаптироваться к изменяемой нагрузке. ТЭПМ предназначены для установки на легковых автомобилях, грузовиках, космических станциях, надводных и подводных кораблях и судах. Конструктивно ТЭПМ выполнены из двух электродов, разделенных мембраной, выполняющей роль электролита. Величина тока определяется площадью зоны реакции. При работе с чистым кислородом плотность тока достигаетА/м2, а при работе с воздухом – 4300 А/м2. Коэффициент полезного действия ТЭПМ достигает 60 % (без утилизации выделяемого тепла).
ТЭ, реализующие протекание прямой реакции метанола с воздухом (ТЭД), относятся к ТЭ на твердых электролитах, но в последнее время выделяются как самостоятельный тип в связи со спецификой технологии изготовления.
Щелочные ТЭ с алюминиевым анодом (ТЭАА) отличаются тем, что получение энергии осуществляется за счет электрохимической реакции окисления алюминия с выделением тепла (4Al + 3O2 + 6H2O? 4Al(OH) 3). Происходит также саморазряд элемента с выделением водорода (2Al + 6H2O ? 2Al(OH) 3 + 3H2). Эффективность ТЭАА превышает 90 %, но их серьезным недостатком является разрушение анода в процессе функционирования. Зарубежные специалисты часто называют этот тип ТЭ полутопливными элементами. Благодаря большой удельной мощности данный тип ТЭ может найти применение в “экстремальных” системах.
В США исследованиями по ТЭ руководит Министерство энергетики (МЭ) в рамках трех федеральных программ, предусматривающих создание ТЭ для электростанций, транспортных средств, а также административных и жилых зданий. По оценкам МЭ США за ближайший двадцатилетний период прирост выработки электроэнергии за счет ТЭ превысит аналогичный показатель ядерной энергетики.

Ожидаемый прирост выработки электроэнергии в США

в период с гг.

Технология	Прирост, ГВт
Использование пара, полученного из угля	35,5
Использование комбинированого цикла	138,1
Сжигание топлива в турбине/дизеле	114,5
Ядерная энергетика	1,2
Топливные элементы	2,1
Возобновляемые источники энергии	10,6

К 2000 г. МЭ США планирует снизить стоимость электростанции на ТЭ до $1000…1500 в расчете на 1 кВт мощности, что соответствует стоимости эксплуатируемых сегодня электростанций, и приступить к серийному строительству электростанций мощностью 300…500 МВт.
В настоящее время ведется проектирование автомобиля, использующего топливные элементы. Ожидается, что к 2000 г. «автомобильные» ТЭ будут иметь следующие характеристики:
– удельную мощность 330 Вт/кг;
– отношение мощности к объему 330 Вт/л;
– КПД примерно 51 %;
– время готовности к движению (разогрев) из холодного состояния 5 мин;
– стоимость – не более чем $50 за 1 кВт.
Перечисленные характеристики обеспечат конкурентоспособность автомобилей с ТЭ на коммерческом рынке. Серийное производство автобусов и легковых автомобилей, использующих ТЭ, запланировано развернуть в период гг.

Ожидаемый интегральный эффект от выхода на рынок электромобилей на ТЭ, АБ и гибридных

Проблема, по которой проводилась оценка	2010 г.	2020 г.
Завоевание рынка (степень проникновения в рынок), %	22,2	38,8
Количество сэкономленной нефти (горючего), млн. т	15,12	60,48
Снижение вредных выбросов углеродных соединений, млн. т	5,8	26,8
Снижение затрат на энергоносители, $ млрд (в ценах 1992 г.)	5,082	24,727
Количество новых рабочих мест, тыс. чел	325	457

Реализация намеченных планов должна обеспечить национальную безопасность США в ХХI веке за счет:
– создания энергетических и транспортных средств нового поколения (КПД двигателя современного автомобиля – 20 %, КПД ТЭ на протонных мембранах – 40…60 %) двойного назначения (военного и гражданского);
– создания универсальных многотопливных модульных источников тока с КПД от 60 % до 90 %, что повысит эффективность и живучесть энергетической системы;
– выхода на массовое применение экологически чистых источников энергии и транспортных средств;
– обеспечения к 2020 г. независимости США от импорта нефтепродуктов и газа;
– захвата доминирующего положения на рынке источников энергии и транспортных средств принципиально нового поколения.