Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Проблемы термоядерной реакции. 1. Нужно создать и поддерживать в некотором объеме высокую температуру (≈108 К). При такой температуре вещество полностью ионизировано, состоит только из ядер и электронов. Одна из возможностей - использовать один или несколько мощных импульсных лазеров Р≈50-100Гвт. Мишень состоит из твердых дейтеря и трития в виде мелких крупинок. Можно использовать разряд от мощного конденсатора. Напряжение порядка 100 000В, Емкость конденсатора порядка нескольких фарад ( например 10Ф). Тогда энергия запасенная в конденсаторе W=CU2/2 = 5 -1010дж.
Рис.167 Схема ТОКАМАКА Внешне токамак похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и первичной обмоткой (тороидальной формы), по которой пропускается переменный электрический ток – в простейшем случае ток от разряда конденсаторной батареи. В качестве вторичной обмотки используется единственный замкнутый виток вакуумной камеры – плазменный шнур. При разряде батареи в камере появляется вихревое электрическое поле, образование которого приводит к электрическому пробою газа, его ионизации и нагреванию до высоких температур. Например, в установке «Токамак – 10» ток в плазме достигает 600 000А, а сама плазма имеет объем около 4м3. В такой магнитной "бутылке, бублике или баранке" на заряды действует сила Лорентца, которая отталкивает плазму от стенок сосуда и заставляет заряженные частицы двигаться во винтовой траектории вдоль центра тороидальной камеры. Если ток зарядов на этой траектории оказывается достаточно большим, то создаваемое этим током собственное магнитное поле будет еще сильнее сжимать плазму относительно оси тора( создается так называемый пинч-эффект. Поведение плазмы зависит в первую очередь, от качества магнитного поля токамака, его способности выполнять роль магнитной ловушки.
Проектируется создание электростанцию на 1 000Мвт. Термоядерный реактор будет сжигать дейтерий и литий, а в результате реакции будет образовываться инертный газ – гелий. Для такого реактора в год потребуется 100кг дейтерия и 300кг лития. Считается, что такая электростанция в плане радиационной безопасности будет эквивалентна урановому реактору деления ядер мощностью 1КВт. И это обстоятельство является решающим фактором, преимуществом термоядерной энергетики в сравнении с атомной энергетикой. 13. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА К наиболее серьезным проблемам, стоящим перед человечеством, безусловно, является экологическая проблема. Наряду с локальными экологическими бедствиями такими, как смог в крупных городах, высокий уровень выбросов от автомобилей и на отдельных предприятиях, прорывы нефтепроводов и т.д. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС, когда в результате выхода из строя одной из турбин начался неконтролируемый сброс воды. В результате было разрушено и затоплено здание электростанции и погибли несколько десятков людей. Авария на Чернобыльской атомной станции, когда в результате сильного повышения температуры в активной зоне реактора произошел тепловой взрыв и реактор был разрушен и в результате возникло сильное загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами. Авария на АЭС в Японии (местечко Фукусима) , когда в результате землетрясения образовалось цунами и из-за подтопления реактора внешними водами произошла авария, которая вывела электростанцию из строя и как следствие возникло сильное загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами. Наряду с локальными экологическими бедствиями возникли общепланетарные явления и экологические проблемы, такие, как парниковый эффект, озоновые дыры, кислотные дожди. Наиболее крупный вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетика и транспорт. Основные выбросы вредных компонентов возникают в результате химических процессов горения топлива в парогенераторах и двигателях внутреннего сгорания (рис.168). Рис.168 Доли загрязнений атмосферы различными отраслями техники в Росии: 1-теплоэнергетика; 2- черная металлургия; 3-нефтедобыча и нефтепереработка; 4- автотранспорт; 5- цветная металлургия; 6- промышленность стойматериалов; 7- химическая промышленность. Дефицит ископаемых органических топлив в сочетании с глобальными экологическими проблемами обуславливает интерес к использованию водорода в качестве универсального энергоносителя для стационарных и мобильных энергоустановок. Сейчас сложилось мнение , что благодаря неограниченным ресурсам, высокой энергонасыщенности , технологической гибкости и экологической чистоте процессов преобразования энергии с участием водорода, его следует рассматривать как наиболее перспективный энергоноситель будущего. Особенности свойств водорода. Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной (93ат.%) и одним из самых распространенных на Земле – 15,5ат.%. Среднее содержание водорода в земной коре 1,4г/кг. Основными источниками водорода являются вода и органические соединения, включая нефть, природный газ и биомассу. Способность водорода вступать при повышенных температурах в каталитические реакции гидрирования широко используются в химической (синтез аммиака и метанола), нефтехимической (гидрокрекинг) промышленности. Восстановительные свойства водорода используются в порошковой металлургии, металлообработке, машиностроении, микроэлектронике. Например Н2 + МеО→Н2О +Ме , т.е. окисел металла восстанавливается водородом и образуется металл и вода. Среди известных газов водород имеет самую низкую вязкость и самую высокую теплопроводность. Водород относится к горючим газам с повышенной пожаро – и взрывоопасностью. Он имеет широкие концентрационные пределы горения и детонации, высокую скорость распространения пламени (в 8 раз выше, чем у метана), а также низкую энергию воспламенения. Использование водорода. Использование водорода как топлива основано на реакции окисления водорода кислородом, протекающей при нормальных условиях 00С, 0,2МПа с большим тепловыделением (120Мдж/кг). Преимуществами водородного топлива при сжигании его в двигателях внутреннего сгорания, парогенераторах, реактивных двигателях и т.д. является высокая теплотворная способность, полнота сгорания, высокие температуры пламени и тепловой КПД, который в двигателях внутреннего сгорания на 30-50% выше, чем при работе на бензине, отсутствие вредных выбросов в атмосферу. В настоящее время водород широко используется как ракетное топливо. Разработки автомобилей на водородном топливе, либо смеси водорода с бензином уже сейчас реализованы целым рядом автомобильных компаний на уровне демонстрационных образцов. Для выработки энергии водород предполагается сжигать в двигателях внутреннего сгорания, турбинах или парогенераторах, либо электрохимически окислять в топливных элементах. Последнему подходу отдается предпочтение вследствие более высокой эффективности, компактности и удобства в работе электрохимических установок. Основным направлением современных разработок по использованию водорода в энергетике являются электрохимические генераторы энергии – топливные элементы (ТЭ) Вместе с тем известны способы преобразования энергии, например электрохимический, практически лишенные указанных недостатков. Электрохимический способ преобразования энергии осуществляется в топливных элементах или ячейках. Топливная ячейка или топливный элемент. В этих преобразователях получаются более высокие КПД, в сравнении с тепловыми генераторами. На рис.169 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Рис. 169 Принципиальная схема ТЭ Электроды в топливном элементе выполнены пористыми (угольные или никелевые). Через пористые электроды вводятся газообразные водород и кислород. Молекула водорода (Н2) из потока газа подходит к электроду (аноду), адсорбируется на нем и распадается на два атома. Водород, будучи типичным восстановителем, весьма охотно отдает свой электрон, его атомы быстро превращаются в ионы (протоны) и оказываются внутри материала электрода, т.е. происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся на аноде электроны создают на аноде отрицательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду (кислородному электроду). Атомы кислорода, из потока газа, адсорбируются на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые , присоединяя ионы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Таким образом, при подводе водорода и кислорода происходит реакция окисления газов с одновременным образованием тока во внешней цепи. В ТЭ происходит окисление водорода (превращение атома в ион и отдача одного электрона) на отрицательном электроде (водородном электроде) 2Н2 + 4ОН- -4е → 4Н2О т.е на электроде образуется избыток электронов И электровосстановление кислорода на положительном электроде (кислородном электроде) О2 + 2Н2О + 4е→ 4ОН-. Гидрооксид ионы (ОН-) двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи – от анода к катоду. Суммируя два верхних уравнения получим уравнение реакции окисления водорода (реакция сжигания водорода) 2Н2 + О2 = 2Н2О. Таким образом, в результате реакции (3) во внешней цепи протекает постоянный ток, т.е. происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энергии горения топлива проходит через несколько промежуточных стадий . Основное отличие ТЭ от гальванических элементов заключается в том, что в ТЭ используются нерасходуемые электроды, поэтому ТЭ могут работать длительное время ( до нескольких лет). Реагенты в ТЭ поступают во время работы, а не закладываются заранее, как в гальванических батареях. В отличие от аккумуляторов ТЭ не требуют подзарядки. Так как напряжение между электродами топливного элемента невелико (порядка 1,23В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД таких топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а на практике составляет 80-90%. Батареи ТЭ могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся продукты реакции и тепло. В качестве материала в ТЭ со щелочным электролитом (КОН) обычно применяется никель, устойчивый к щелочным растворам. Для ускорения реакции в электроды вводят платину (как катализатор). Энергоустановки на основе ТЭ с щелочным электролитом мощностью 4,5 и 30КВт нашли применение в космических кораблях «Аполлон» и «Шаттл». Энергоустановки на основе ТЭ имеют многие преимущества по сравнению с традиционными энергоустановками: более высокий КПД (в 1,5-2раза), бесшумны, экономичны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу, широкий диапазон мощностей. Пока основным тормозом для широкого применения ТЭ является относительно высокая себестоимость (в 2-3раза) по сравнению с традиционными установками. Можно ожидать, что в дальнейшей перспективе энергоустановки на основе ТЭ будут вносить весомый вклад в генерацию энергии и решение экологических задач транспорта и энергетики. 14. ПОНЯТИЕ О ЕДИНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ. В течение суток, а также в течение года потребление электрической энергии неодинаково (рис. 170) . Объединение многих электростанций в единую энергетическую систему удается значительно снизить себестоимость электроэнергии, повысить ее качество (постоянство входного напряжения на нагрузке и постоянство частоты) и надежность в бесперебойном снабжении потребителя. Например, значительные колебания нагрузки в отдельных районах не перегружают близлежащие генераторы, если они включены в ЕЭС, т.к. необходимая энергия потребляется из мощной электросети. В период нехватки электроэнергии районная электросеть получает ее из мощной ЕЭС, а в периоды избытка – отдает районную энергию в ЕЭС. Рис. 170 Графики совмещенных нагрузок потребителей, расположенных в разных часовых поясах: 1,2 – графики нагрузок отдельных подсистем; 3- график нагрузки объединенной системы. Контрольные вопросы
Г л а в а 13 НАНОМАТЕРИАЛЫ- НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ. . Энергетика является специфической сферой деятельности, связанной с преобразованием одного вида энергии в другой, а всякое преобразование непременно связано с потерями энергии. Важнейшей задачей является организация трансформации энергии, обеспечивающая минимальные потери при ее оптимальном использовании. Получение электрической энергии из источников различного типа, так называемой первичной энергии, требует специального электротехнического оборудования. Выбор оптимального оборудования для конкретных энергетических установок – всегда предмет научных исследований и изысканий. Одно из перспективных направлений связано с созданием энергетического оборудования на основе разработки и синтеза новых электротехнических материалов со специфическими физико – химическими свойствами с помощью нанотехнологий. Нанотехнологии манипулируют объектами размерами в одну миллиардную часть метра (1нм = 10-9м), фактически позволяя вести строительство уникальных изделий из отдельных атомов. Сбываются самые невероятные предположения фантастов о применении наноустройств, которые полностью изменят существующий мир, превратив жизнь в воплощение мечты людей – «золотой век». Новые технологии вызывают интерес исследователей в различных областях науки и техники, особенно в электронике, медицине, энергетике, экологии. Перспективы развития энергомашиностроения связаны с использованием для новых электрических машин наноматериалов, имеющих особые свойства электро- и теплопроводности, механической прочности. Нанокомпозитные материалы могут обладать удельным сопротивлением от удельного сопротивления полупроводников до удельного сопротивления, меньшего, чем у меди, теплопроводностью лучшей, чем у алмаза, прочностью, превышающей прочность стальной проволоки, при плотности в несколько раз ниже. Материал, полученный с помощью нанотехнологий, может быть легким, сверхпрочным и электропроводящим.
Эта теория является краеугольным камнем современной науки о материалах в природе. Все материалы состоят из молекул, т.е молекулы являются элементарными «кирпичиками» того или иного вещества или материала. Эти два слова являются для нас синонимами Эти кирпичики могут быть как большими (органические молекулы), так и иметь малый размер (молекулы неорганических и некоторой части органических материалов). В качестве примера можно привести следующие простейшие молекулы: воды Н2О, аммиака NH3, двуокиси углерода СО2, кислородаО2(Н2, N2), неона Ne (гелия He, аргона Ar и др. инертные газы.). Как видно из химических формул, а также из опыта эти кирпичики имеют сложное строение и, в свою очередь состоят из атомов. Атомы – «кирпичики» того или иного химического элемента. Химический элемент или элементарное вещество, состоит из атомов только одного сорта. Когда Д. И Менделеев составлял свою периодическую систему элементов ему были известны лишь 31 элемент. В настоящее время открыто уже 118 элементов. И все они вписываются в его систему элементов. Одни ин элементов встречаются в природе в свободном состоянии и известны несколько тысячелетий (Fe, Ag, Au,Hg и др). Другие открыты недавно. Ряд элементов стабильны , а другие короткоживущие. Таблица Д.И. Менделеева
Рассмотрим строение атома какого-нибудь элемента, например натрия 11Na23., с позиций протонно-нейтронной теории. Порядковый номер натрия в периодической системе Менделеева 11, массовое число 23. В соответствии с порядковым номером заряд ядра натрия равен +11. Следовательно, в атоме натрия имеется 11 электронов, сумма зарядов которых равна положительному заряду ядра. Заряд ядра атома равен сумме зарядов 11 протонов, находящихся в ядре, масса которых равна 11а.е.м. Т.к. массовое число натрия равно 23а.е.м., то разность 23-11=12 определяет число нейтронов в ядре атома натрия. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Ядро атома натрия содержит 23 нуклона, из, которых 11 (порядковый номер натрия) – протоны и 12 – нейтроны. Общее число нуклонов в ядре пишут вверху символического обозначения элемента. С точки зрения классических законов физики непонятна устойчивость атома и линейчатый характер атомных спектров. К началу XX века опыты показали, что электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы, являющиеся составной частью атома. Электрический ток является ни чем иным, как упорядоченным движением электронов вдоль металлического провода, и в этом смысле электрон есть квант электричества. Исходя из этого, Э. Резерфорд предложил в 1910 г планетарную модель атома (рис. 171), в которой отрицательно заряженные электроны вращаются как планеты вокруг центрального положительно заряженного ядра, притягивающего их подобно Солнцу (напомним, что заряды одинаковых знаков отталкиваются, а противоположных притягиваются). Такая аналогия между атомом и Солнечной системой сразу же захватила воображение людей. Она действительно позволяет очень наглядно представить атом и объяснить некоторые его свойства, например, различия в энергии электронов. Однако пользоваться данной аналогией можно только до определенного предела. Основной ее недостаток следует из природы электрических зарядов: если на заряд действует магнитное поле или силы притяжения какого-нибудь атомного ядра, то заряд не может двигаться равномерно и прямолинейно. Его траектория будет Рис .171 Модель атома Резерфорда Рис. 172Траектория, по которой двигался бы электрон по законам классической физики искривлена, а из теории Максвелла следует, что такой заряд при движении должен испускать электромагнитные волны, теряя при этом часть своей энергии (рис. 172). Таким образом, из законов классической физики неизбежно следовал вывод, что, двигаясь ускоренно по определенным орбитам, электрон, излучающий энергию в виде электромагнитных волн, со временем должен терять скорость и, в конце концов, упасть на ядро (что положило бы конец существованию атома). Согласно теоретическим расчетам, атомы бы прекратили свое существование примерно за наносекунду, что, конечно же, противоречит долговременной стабильности атома в действительности. Кроме того, совокупность таких атомов должна была бы давать сплошной спектр излучения (Видимая часть спектра от красного до фиолетового и невидимая часть спектра, включающая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение), а не линейчатый, наблюдаемый на опыте. |