Описание
Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.
На рис. 1 показан принцип действия МГД генератора, где указано направление магнитного поля В , приложенного к проводнику (движущемуся электролиту, металлу, ионизированному газу, плазме) со скоростью V .
Принцип действия МГД генератора
Рис. 1
Электрическая энергия снимается с концов электродов (кондукционные МГД генераторы), контактирующих с движущейся токопроводящей средой (на рис. 1 показано сопротивление нагрузки R ) или с помощью индуктивной связи потока с цепью нагрузки (индукционные МГД генераторы).
Временные характеристики
Время инициации (log to от -9 до -6);
Время существования (log tc от -6 до 15);
Время деградации (log td от -9 до -6);
Время оптимального проявления (log tk от -8 до -6).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Линейный фарадеевский секционированный МГД - генератор
Техническая реализация - схема линейного фарадеевского секционированного МГД - генератора - показана на рис. 2.
Линейный МГД генератор
Рис. 2
Обозначения:
2 - электроды;
3 - межэлектродные изоляторы;
4 - боковые изоляционные стенки;
5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока в нагрузке
Применение эффекта
МГД эффект используется в электрореактивных ракетных двигателях, в расходомерах электропроводящих жидкостей, в магнитогидродинамических генераторах электроэнергии, в которых осуществляется прямой переход тепловой энергии в электрическую. Основное преимущество МГД - генераторов перед тепловыми (например, газовыми турбинами) состоит в том, что плазма имеет высокую температуру, а это приводит к повышению КПД.
pax (МГД). Принципиальная идея такова. В рабочей камере (рис. 2) благодаря продуктам сгорания топлива поддерживается температура в несколько тысяч градусов. А при такой температуре газ, естественно, сильно ионизируется. Чтобы увеличить ионизацию электропроводящего газа, в него добавляют присадки, содержащие цезий, кальции, калий. Полученная плазма с высокой скоростью продувается через канал переменного сечения, помещенного в~ сильном магнитном поле. Как известно, на электроны и ионы плазменного потока - электрические заряженные частицы - действуют силы, которые отклоняют их либо к верхнему, либо к нижнему электродам. Появляется электрический ток.
В нашей стране уже созданы полупромышленные МГД-уста-новки, получен электрический ток.
Сегодня мы предлагаем собрать и испытать модель МГД-генератора. Поток ионизированного газа мы заменили потоком электролита. Смысл от этой замены не меняется. Модель жидкостного МГД-генератора ничуть не хуже продемонстрирует вам не только существование свободных ионов в электролитах и отсутствие их в других растворах, но и покажет наличие действующей на ионы в магнитном поле отклоняющей силы, что непременно имеет место в магнитогид-родинамическом генераторе.
Прибор представляет собой плексигласовый прямоугольный брусок 1 (рис. 3) с размерами 120 X 26 X 18 мм, внутри которого по всей длине просверлен цилиндрический канал диаметром 12 мм. Вдоль канала проложены две медные или латунные полоски сегментного сечения (обкладки конденсатора, электроды) 2, соединенные с клеммами 3. По краям прибора вставлены алюминиевые ниппели 4 для при
соединения резиновых трубок. К лицевой и обратным граням бруска приклеены плексигласовые цилиндрики 5, на которые надеты керамические кольцевые магниты 6 диаметром 20 мм из набора, выпускаемого промышленностью для школ. Прибор снабжен опорным стержнем 7 для установки его в треноге штатива.
На каждый ион текущего электролита (раствор бромида калия, хлорида натрия) действует отклоняющая сила, или, как ее называют, сила Лоренца.
Вследствие разделения ионов возникает электрическое поле, кулоновы силы которого уравновешивают силу Лоренца:
Е = ^f = VB, U = dVB.
Здесь U - разность потенциалов между электродами,
V - скорость ионов (потока),
В - индукция магнитного поля,
d - расстояние между электродами.
Поскольку электрическое сопротивление раствора очень мало, сила тока достаточна для измерения ее гальванометром от школьного демонстрационного вольтметра.
Меняя число магнитов, скорость течения электролита, концентрацию его и сам электролит, можно поставить серию забавных опытов по исследованию зависимости э.д.с. МГД-генератора от индукции магнитного поля, скорости потока, концентрации ионов, их заряда и массы.
Изобретение относится к электрохимическому производству, в частности к электролизу.Наиболее близким изобретением является способ магнитодинамического автоэлектролиза, выбранный в качестве прототипа.
На электрохимическую систему, содержащую электроды и электролит, воздействуют внешним магнитным полем, ортогональным контурам электродов. Причем осуществляют вращение источников магнитного поля в плоскостях, параллельных контурам электродов. Благодаря этому осуществляют относительно движение ионов диссоциированного электролита в магнитном поле, перпендикулярном направлению движения. На заряды (разнополярные ионы), движущиеся относительно магнитного поля действует сила, которая направлена перпендикулярно к плоскости векторов магнитной индукции и скорости относительного движения. При относительном движении по окружности направление силы Лоренца, как и направление перемещения ионов (ионного тока), ортогонально вектору линейной скорости относительного движения и происходит в соответствии со знаком заряда в направлении радиуса-вектора к противоположным контурным электродам. В результате этого происходит поляризация электродов, причем разность потенциалов между ними при достаточных значениях линейной скорости и магнитной индукции достигает напряжения разложения электролита, что приводит к протеканию электрического тока в электрохимической системе к электролизу. Сущность электролиза, происходящего на электродах в описанном способе, не отличается от традиционного электролиза, когда электроды подключены к внешнему источнику напряжения.
В способе для повышения эффективности процесса отражены различные возможности относительного перемещения электролита в магнитном поле, в том числе и в совокупности с прокачиванием. Он предназначен для разложения воды, с целью получения экологически чистого топлива водорода. Данным способом можно разложить электролит, не прибегая к окольному пути получения постоянного напряжения для электролиза, связанному со значительными потерями при преобразовании механического движения в электроэнергию с помощью электрогенератора. Благодаря этому не только повышается эффективность электрохимического производства, но и снижаются затраты на оборудование.
Несмотря на то, что экономически выгоднее проводить электролиз описанным способом в сравнении с обычным электролизом, ему присущи определенные недостатки. Они связаны с необходимостью либо прокачивания электролита, либо вращения системы постоянных магнитов, ввиду того, что данный способ является динамическим. Это ведет к усложнению способа при его реализации вследствие использования двигательной для вращения системы постоянных магнитов или прокачивания электролита, специальных насосов для работы в агрессивных средах, а также ведет к трудностям надежного крепления массивных постоянных магнитов во вращающейся системе, балансировки такой системы и герметизации токовыводов, и напорных трубопроводов.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение способа при одновременном увеличении производительности процесса.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе магнитоиндуцируемого электролиза, включающем воздействие на электрохимическую систему магнитным полем, ортогональным плоскости электродов, используют переменное магнитное поле.
В предлагаемом способе магнитоиндуцируемый электролиз осуществляют в статической магнитоэлектрохимической системе в неподвижном электролите с помощью неподвижного источника магнитного поля за счет создания переменного магнитного поля.
В отличие от этого, в известном способе электролиз осуществляют в динамической электрохимической системе при относительном движении электролита и источника постоянного магнитного поля. При этом разность потенциалов на электродах для электролиза получают в предложенном способе за счет ЭДС магнитной индукции, возникающей в электродах, тогда как в известном способе разность потенциалов на электродах получают за счет их поляризации ионным током, возникающим в электролите вследствие действия силы Лоренца на перемещаемые в магнитном поле ионы.
В соответствии с предложенным способом в электрохимической системе, содержащей неизолированные контурные электроды и электролит, создают переменное магнитное поле с противоположным направлением внутри и вне контуров и одинаковым для всех электродов, чем обеспечивают однонаправленный индукционный ток в соответственных участках всех соседних контуров, образующих элементарную электрохимическую ячейку, и ЭДС индукции между этими контурами электродов, достигающую напряжения разложения электролита. При этом в контурах создается электронный ток магнитной индукции, на их поверхности происходит электролиз, а в электролите между соседними участками электрода протекает ионный ток за счет ЭДС магнитной индукции в контуре электрода. То есть электролит является распределенной вдоль контура электрода электрической нагрузкой.
Сущность предложенного способа заключается в преимущественном взаимодействии внешнего магнитного поля с электродами электрохимической системы в виде разомкнутых контуров из проводника первого рода, носителями зарядов в котором являются электроны, и пренебрежимом взаимодействии с окружающим неизолированные электроды неподвижным электролитом-проводником второго рода, носителями зарядов в котором являются ионы. Способ основан на известном физическом явлении электромагнитной индукции, при котором в контуре проводника, помещенном в переменное магнитное поле, возникает электродвижущая сила ЭДС индукции. Если контуром является, например, разомкнутая концентрическая неизолированная спираль, то в ней возникает распределенная межконтурная разность потенциалов, равная ЭДС индукции контура или контуров.
Плотность тока в контуре, вызванная электрическим полем в проводнике, выражается j nev neuE, где n число носителей зарядов в единице объема, е заряд носителя, v средняя скорость их упорядоченного перемещения, u электрическая подвижность заряда, Е напряженность электрического поля. Вместе с тем известно, что подвижность свободных электронов в проводнике первого рода, например, в меди, примерно в 10 4 раз выше подвижности ионов Н + и ОН - в электролите проводнике второго рода, а их концентрация превышает концентрацию этих ионов (в случае 35% раствора КОН) примерно в 20 раз, что обуславливает преимущественное взаимодействие переменного магнитного поля с проводником первого рода.
С помощью предложенного способа просто осуществить электролиз в полностью замкнутом объеме статической магнитоэлектрохимической системы без подвода извне электрического тока к электродам. Магнитоиндуцируемый электролиз осуществляется следующим образом. Переменное магнитное поле индукции пронизывает контурные электроды, в них индуцируется межконтурная распределенная разность потенциалов, в электролите создается ионный ток и на электродах протекают электрохимические реакции с выделением газообразных продуктов, например, в случае электролиза воды. Диод позволяет вести электролиз в импульсном режиме.
Сущность способа можно проиллюстрировать на примере электролиза 35% раствора едкого кали, с целью получения водорода и кислорода или их смеси. Электрохимическая система содержит неизолированные электроды в виде медной никелированной цилиндрической спирали, концы витков которой соединены перемычкой из электронного проводника или диода. Электроды помещались в тороидальную диэлектрическую емкость, заполненную электролитом, а сам тороид располагался на магнитопроводе, имеющем первичную обмотку. Первичная обмотка подключалась к промышленной сети и в электрохимической системе создавалось переменное магнитное поле.
П р и м е р 1. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 50 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 10 мТ. Сечение магнитопровода составляло 75 см 2 . Расстояние между электродами равнялось примерно 1 мм. Электрод представлял из себя спираль из медной никелированной шинки, содержащей 100 витков (контуров). На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5 ± 0,1 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор КОН, осуществили электролиз с выделением с 10 см 2 поверхности 0,38 л кислородно-водородной смеси в час, что в пересчете на 1 м 2 поверхности составит 0,38 м 3 /ч. В прототипе выход кислородно-водородной смеси с 1 м 2 поверхности электрода составляет 0,192 м 3 /ч.
П р и м е р 2. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 500 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 12 см 2 , расстояние между электродами 10 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукция 2,5 + 0,1 В. С 1 м 2 поверхности электрода при этом выделяется 0,9 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
П р и м е р 3. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение частотой 1000 Гц, создаем в магнитопроводе магнитное поле с индукцией 1,4 Т. Расстояние между электродами составляло 20 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукции 5,0 + 0,2 В. С 1 м 2 поверхности при этом выделяется 1,4 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
П р и м е р 4. Условия эксперимента такие же, как в примере 1, но начало и конец контурных электродов соединены с помощью диода. Поэтому реализуется электролиз импульсным током, благодаря чему на определенных участках электродов протекают либо катодные, либо анодные процессы. При этом повышается доля тока, идущая на фарадеевский процесс за счет уменьшения емкостного тока. Результатом является повышение выхода продукта до 0,96 м 3 /ч с 1 м 2 поверхности электрода или на 7+ 0,2%
П р и м е р 5. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 1 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 33 см 2 . Расстояние между электродами составляло 2 мм. Электрод содержал 100 витков с площадью 100 см 2 . На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5+ 0,2 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор едкого кали, осуществили электролиз с выделением за 1 ч 0,26 л водородно-кислородной смеси, что в пересчете на 1 м 2 поверхности электродов составит 0,26 м 3 /ч. В прототипе выход газовой смеси составляет с 1 м 2 поверхности электрода 0,192 м 3 /ч.
Таким образом, заявленный способ в сравнении с прототипом обладает рядом преимуществ: является статическим и не требует ни перемещения электролита, ни вращения источников магнитного поля, что ведет к упрощению способа, т.е. достижению поставленной цели.
УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕКТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, соаёржашиб источмж питания, прозрачную емкость с электролите, магнит и связанные с истс«яиком питания электрощл, о т л н ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения наглядности, «лкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегород. ку из электропроводного матертала, раэаелякяную емкость на два сообшаюшюсся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу истсзчннка. &)
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
РЕСПУБЛИН
„.Я0„„1 027754
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ГЮ ДЕЛ4М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К. ABTOPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
{2 1) 340О847/28-12
{22) 22.02..82 (4б) 07.07.83. Бюл. No 25 (72) Д. С. Кройтор
{ 71) Кишиневский государственный медицинский институт (53) б58,686.06 (068.8) (56) 1. Марголис А. А., Парфентьева Н. Е., Иванова А. А. Практикум ла физическому эксперименту. М., Просвещение," 1&77, с. 212, рис. 22-10. (54)(57) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕ
МОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕ,КТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, с с
Держаший источник литания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и -связанные с источником питания электроды, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с пелью повьпцения наглядности, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегородку из электропроводного материала, раз-деляющую емкость на. два сообшающнхся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу источника.
Изобретение относится к демонстрационным приборам и наглядным пособиям для применения в учебном. процессе, в; частности к приборам по физике.
Известен прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле. Прибор выполнен следующим абра; зом. На кольцевые керамические магниты поставлен плоский стеклянный сосуд, например кристаллизатор, внутрь которого 10 вставлены два электрода (кольцевой и центральный прямолинейный). В сосуд налит pacmop медного купороса тек, . чтобы уровень жидкости был ниже края сосуда на несколько миллиметров. На!5 поверхности жидкости плавает ликоподий или пробковая пыль. При процускании через электролит тока ионы при своем движении отклоняются магнитным полем и жидкость между электродамн приходит 0 во вращение, увлекая за собой плавающие материалы 1 .
Недостатком этого прибора является малая наглядность демонстрации при проведении опыта в большой аудитории.Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле.
Указанная цель достигается тем, что
; s приборе для демонстрации движения 30 иойов электролита в магнитном поле, содержащем источник питания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и связанные с источником питания электроды, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов ис точника питания и расположенную в ней 1 перегородку из электропроводного материа ла, разделяющую емкость íà два сообщающихся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости паралхиль но перегородке и подключены к второму полюсу источника.
На фиг. l. изображен прибор, общий вид„на фиг. 2 - то же, поперечный раз 45 резу
Прибор содержит емкость 1 прямоугольного сечения из органического стек= ла. Перегородка 2 из электропроводного материала делит ее на две части, но йе доходит до дна, образуя тем самым два сообщающихся сосуда 3 и 4. К боковым стенкам емкости 1 с внутренней стороны параллельно перегородке укреплены два электрода 5 и 6. Емкость 1 фиксируют между полюсами электромагнита. Один полюс постоянного источника тока подключают к перегородке 2, а другой — к боковым электродам 5 и 6. ,Пля проведения опыта в емкость 1 наливают раствор медного купороса так, чтобы уровень жидкости был на 5-7 см ниже края сосуда. Затем включают электр
poMBI íèò и наблюдают, что жидкость в сосудах 3 и 4 остается на том же уровне.
При подключении источника постоянного така (соблюдая полярность, указанную на фиг. 1), плавно увеличивая вели яну тока, получают плавное изменение уровня жид кости в сосудах 3 и 4. Сила, действующая на ионный йоток в левом сосуде 3, направлена вниз, а в правом сосуде 4вверх. В результат ге этого эффект дейсз вия магнитного ноля удваивается и уровещ жидкости при достижении величины тока в 5 А в левом сосуде 3 окажется ниже уровня, чем s правом на 4-5 см, При плавном понижении величины тока жидкость в сосудах 3 и 4 возвращается
K прежнему, одинаковому уровню., Затем повторяют опыт при перемене полярности и уровень жидкости в правом сосуде 4 становится ниже, чем в левом 3.
Изобретение позволяет повысить нагпядиость демонстрации и, тем самым, повысить качество усвоения учебного материала и эффективность использования пособия в учебном процессе.
Загрузка...
