Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Так как основные параметры электротехнических материалов энергетического оборудования зависят от соотношения μ и ρ, то, варьируя величины этих свойств материала, можно достигнуть желаемых рабочих характеристик оборудования, особенно таких, как низкая удельная масса, низкие потери, высокие прочностные показатели, обеспечивающие работу при высоких частотах вращения. Выбор того или иного диапазона соотношения параметров связан с требованиями к конкретному режиму эксплуатации и с показателями эффективности. Уникальный комплекс электромагнитных свойств нашел применение при создании большого круга магнитных наноматериалов, а именно: жидких магнитов, лент магнитной и видеозаписи, кредитных карт, магнитных экранов, дисков памяти, сердечников высокочастотных трансформаторов, постоянных магнитов и магнитопроводов, материалов электроконтактов и др. В качестве материала для магнитной записи используется порошок y-Fe203. Повышение плотности записи обеспечивается при использовании наноматериала, состоящего из игольчатых частиц с размером длинной оси 300-500 нм и короткой оси 50-70 нм. При изготовлении электроконтактов для низковольтной аппаратуры использование нанопорошков ZnO обеспечивает электрокоррозионную стойкость, низкую склонность к свариванию, малую величину контактного сопротивления, существенно упрощает технологию изготовления, уменьшает содержание серебра в конечном изделии, повышает экологические показатели при изготовлении и эксплуатации вследствие замены токсичного CdO. После аварии на Чернобыльской АЭС снова возобновляется интерес к атомной энергетике как обеспечивающей при необходимом уровне надежности работы условия экологической безопасности и эффективности энергетики. Безопасность ядерных реакторов и повышение их мощности определяют перспективы развития энергетического сектора России в целом и атомной энергетики в частности. Создание надежной безопасности АЭС станет возможным только на основе разработок принципиально нового класса функциональных материалов. Главной задачей этих материалов является безусловное обеспечение ими работоспособности системы безопасности АЭС независимо от влияния человеческого фактора, наличия или отсутствия дополнительных энергоресурсов и других обстоятельств, характерных, в частности, и для возможных террористических проявлений. Впервые в мире было получено семейство оригинальных по составу и свойствам функциональных материалов на основе компонентов системы AlFeSiSrBaYGeLaGdEuSmO, представляющих собой принципиально новый класс материалов. Внедрение этого класса материалов позволит создать новое поколение систем безопасности в атомно-энергетическом секторе. Атомная энергетика является сегодня высокотехнологичной отраслью и играет системообразующую и природоохранную роль в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) России. В проектируемых и вновь сооружаемых АЭС с реакторами ВВЭР – 1000 и ВВЭР – 1500 безопасность этих сложных технических систем, защита населения и окружающей среды от последствий за проектных аварий обеспечивается устройством локализации расплава активной зоны, которое входит в состав технических средств, специально предусмотренных на АЭС для управления тяжелыми авариями, образующих четвертый – последний уровень глубокоэшелонированной защиты. Использование специальных функциональных материалов, взаимодействующих с расплавом активной зоны, обеспечивает длительную ( в течение 60 лет проектного срока эксплуатации АЭС) и эффективную работоспособность устройства локализации расплава. Это позволяет существенно уменьшить радиационные последствия тяжелых аварий. Механизм защитного действия нового класса материалов основан на окислении содержащихся в расплаве сильных восстановителей, прежде всего циркония и урана, которые в противном случае способны к образованию водорода при взаимодействии с парами воды. Кроме этого, при взаимодействии с расплавом активной зоны эти материалы должны понижать температуру расплава за счет общего эндотермического эффекта и создавать благоприятные условия для теплоотвода из устройства локализации, а также понижать плотность оксидной фазы расплава активной зоны до пространственной инверсии ее с металлической фазой расплава. Последнее свойство позволяет предотвратить эффект фокусировки тепловых потоков на водоохлаждаемой поверхности устройства локализации и создает благоприятные условия для последующей подачи воды на поверхность расплава. Понижение плотности расплава обеспечивается за счет растворения в оксидной фазе легких компонентов, входящих в состав функционального материала. Кроме того, эти материалы выполняют и ряд других функций, обеспечивающих эффективную работу систем безопасности, в частности создают условия для надежной подкритичности системы, уменьшают выход наиболее опасных радионуклеидов. Важным требованием, которому должны удовлетворять новые функциональные материалы, является прогнозируемость их поведения при широком варьировании параметров внешних химических, термических и механических воздействий. Удовлетворить всем этим требованиям можно только на основе многокомпонентной системы со сбалансированным химическим и фазовым составом, строго определенной структурой. В странах Азии лотос почитается священным растением прежде всего потому, что поверхность листьев этого растения отталкивает воду, грязь и пыль. В этом эффекте сочетаются две характеристики – повышенная гидрофобность и способность к самоочищению. Гидрофобность проявляется в том, что поверхность лотоса отталкивает воду, в результате чего даже микроскопические капельки воды на таких поверхностях превращаются в круглые «бисеренки», которые при малейшем наклоне скатываются с поверхности, оставляя ее сухой. Так называемый краевой угол (контактный угол, угол смачивания) на таких поверхностях превышает 1400, а в некоторых случаях даже достигает 1700, т.е. поверхность практически не смачивается. Вопреки распространенному мнению, самоочищающиеся поверхности типа лотоса являются не гладкими, а имеют сложную, шероховатую структуру, причем неровности (неоднородности) имеют микро и даже наноразмеры. Реальная поверхность листьев лотоса состоит из кристаллов воска (естественно являющихся гидрофобными, в виде «узелков» высотой 5-10мкм, расположенных на расстоянии 10-15мкм друг от друга. Многообещающие перспективы в технической реализации и использования эффекта лотоса заключаются именно в том, чтобы путем комбинации наночастиц и гидрофобных полимеров (типа полипропилена или полиэтилена) получать сверхгидрофобные материалы и покрытия. Для практического применения очень удобно нанесение на поверхность аэрозолей, при высыхании которых происходит самоорганизация вещества, приводящая к образованию наноструктурированного покрытия или слоя. Аэрозоли этого типа уже получили название «лотос спрей» и их очень удобно использовать, разбрызгивая на любые шероховатые поверхности ( включая бумагу, кожу, текстильные изделия и каменную кладку). Эффект лотоса с нанопокрытием также применяется при изготовлении специальной аппаратуры, в которой важно обеспечить полное выливание жидкости из сосуда (например пипетки и т.д.). Защита от коррозии является глобальной задачей. Так только в США экономический ежегодный ущерб от коррозии составляет около 300 миллиардов долларов. Ржавчина представляет собой естественно образующуюся смесь различных окислов и гидроокислов железа, содержащую соли и ионы железа, которые автокаталитически увеличивают скорость коррозии. В этом смысле весьма перспективными представляются так называемые органические металлы (органические и металлорганические соединения с высокой электропроводностью). Нанопокрытия (особенно, если им удастся придать способность к самозалечиванию) могут оказаться исключительно важными и востребованными. Очистка промышленных отходящих газов является важным направлением химического катализа. Как известно, в процессе работы технологического оборудования происходит накопление отработанных масел, утилизация которых в настоящее время осуществляется сжиганием. Отходящие при этом газы содержат сажу, оксиды углерода, азота, серы, механические примеси. Снижение уровня вредных веществ в отходящих газах путем варьирования режимов сжигания и установка фильтров не дает необходимого эффекта. Введение непосредственно в топочное устройство вместе с топливом микроскопических количеств каталитически активных на-нопорошков простых и сложных оксидов переходных и редкоземельных металлов представляет собой принципиально иной подход к решению данной проблемы. Благодаря малым размерам и высокой удельной поверхности нанопорошка, происходит эффективное дожигание сажи в отходящих газах технологических печей. Например, катализаторы глубокого окисления, содержащие нанопорошки оксидов неблагородных металлов (состав CuCrCoNiCe — 60:30:5:2:3), показали степень очистки отходящих газов печей от угарного газа и метана в пределах 94-99%. Созданные на основе наноматериалов каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобильных двигателей позволили снизить содержание оксида углерода для дизельного двигателя в 7-40 раз, для бензинового — более чем в 10 раз. Переработка промышленных отходов — еще одно направление использования наноструктурных катализаторов. Например, при добавлении в катализатор 1% порошка железа можно достигнуть высокой эффективности в процессах глубокой переработки вязких отходов нефтяной промышленности до получения бензинов и других углеводородов. Кроме того, железо образует оксид железа III, который является эффективным катализатором для обезвреживания таких соединений, как СО, NOx, S02. Для решения широкого круга технологических и экологических задач целесообразно применение наноматериалов в качестве высокоэффективных адсорбентов в современных мембранных технологиях (мембраны, микрофильтры). В частности, нанооксиды показали высокую активность в процессах тонкой комплексной доочистки питьевой воды от тяжелых металлов и органических загрязнений. Эти наноматериалы позволяют извлекать из водных сред широкий спектр примесей неорганического и органического происхождения; очищать стоки гальванических производств, предприятий добычи, транспортировки и переработки нефти и нефтепродуктов. Производимые анофильтры позволяют выделять из воды одновалентные и многовалентные ионы, понижать степень ее жесткости, очищать от солей, микробов, пестицидов, гербицидов и углеводородов. Нанопорошки адсорбентов, благодаря различию в скоростях адсорбции отдельных ионов, можно также использовать для извлечения и селективного выделения отдельных ценных компонентов из буровых вод и водных промышленных отходов. Для очистки жидкостей от взвешенных примесей разработаны фильтры с использованием нанокристаллических мембран. Основным узлом данных устройств являются фильтро-элементы, представляющие собой полые цилиндры из пористого полиэтилена, на внешнюю поверхность которых нанесены пористые покрытия из нанодисперсных нитридов, оксидов, оксинитридов титана, алюминия, циркония. В результате полученные мембраны обладают высокими фильтрующими характеристиками, достаточно высокой производительностью по фильтрату, способностью к многократной гидродинамической регенерации без разборки и длительным сроком эксплуатации. Создание высокоэффективной малогабаритной аппаратуры для очистки нефтесодержащих сточных вод стало возможным благодаря сочетанию нанопорошков адсорбентов с высокоемкими волокнистыми материалами (углеткани, базальтовые волокна и др.). Один прибор, содержащий три слоя наноадсорбента, разделенных слоями волокнистого материала, обеспечивает очистку эмульсий нефтепродуктов с исходной концентрацией 200-300 мг/л до уровня санитарных норм. Использование нанопорошков металлов позволяет производить микропористые материалы с открытой пористостью 35-70%. Получены микропористые материалы состава Ni3Al, NiAl, Ti3Al, которые эффективны при изготовлении испарителей, сепараторов и фильтров в системах терморегулирования. Действие керамических датчиков влажности также основано на адсорбционных свойствах наноматериалов. В них используются нанопорошки диоксида циркония, развитая поверхность которых оказывает основное воздействие на процесс поглощения влаги из потока воздуха. В результате, полученные структуры с широким набором пор позволяют значительно превысить технологические параметры применяемых в настоящее время датчиков влажности. Одним из важнейших направлений применения наноматериалов является создание различных средств защиты, где они используются в качестве компонентов свето- и теплопо-глощающих составов, поглотителей электромагнитного излучения, радиационной защиты. Многие возлагают надежды на нанотехнологии в решении проблемы энергетического кризиса. Нанотехнологии могут повысить эффективность солнечных батарей, помочь в улучшенном катализе нефти, создать новые источники хранения энергии и улучшить старые (аккумуляторы, батарейки, топливные элементы). Благодаря нанотехнологиям уже сделаны солнечные батареи, толщина которых не превышает толщины оберточной бумаги. Это поколение солнечных батарей отличается от аналогичных источников питания неизмеримо меньшим весом, большей гибкостью и долговечностью. Не забудем и протопливные ячейки. Эксперименты по переходу на экологически чистое водородное топливо в развитых странах проводятся уже сейчас. Перспективно использование наноматериалов в различных источниках энергии при создании средств прямого преобразования энергии; полупроводниковых, эмиссионных, коммутационных материалов; материалов для водородной энергетики. В частности, использование нанопорошков Zr02, стабилизированных иттрием, снижает температуру синтеза керамики на 100-200 °С, что значительно уменьшает энергозатраты при производстве топливных элементов и повышает ресурс работы термического оборудования. Это, в свою очередь, позволяет применить принципиально новые технологии изготовления топливных элементов. Кроме того, появляется возможность снижения в 1,5-2 раза количества топливных элементов в энергоустановке или рабочей температуры до 800 °С. В будущем развитие энергетики будет связано с массовой заменой твердых видов топлива и горючих веществ на водород. Ключевой проблемой является накопление и хранение газообразного водорода. При этом не может быть и речи о сжижении водорода под давлением или его охлаждении до свехнизких температур. Высокоперспективными материалами для этих целей представляются нанопористые вещества со специфически большой активной поверхностью. Это могут быть углеродные нанотрубки, металлорганические сотовые структуры. Из этих структур создаются крупные по размеру и легкие пористые вещества с открытыми порами и каналами нанометрового размера. который необходимо будет аккумулировать в специально создаваемых устройствах, и именно в этом наноматериалы ( в частности сложные фуллерены) могут оказаться исключительно полезными. Уже в настоящее время создаются емкости-хранилища водорода на основе фуллеренов с 10% эффективностью. Солнце в среднем ежедневно производит количество энергии, превышающее годовой расход энергии в такой стране как Германия в 80 раз. В принципе, техническая утилизация солнечной энергии осуществляется двумя основными методами: так называемый фотогальванический метод ( то есть прямое преобразование солнечной энергии в электрическую) и соляротермический метод ( так иногда называют использование солнечного излучения для получения горячей воды, для отопления отдельных помещений и т.п.). Нанотехнологии могут сыграть важную роль в разработке многих устройств такого типа, прежде всего за счет нанесения на поверхность стекол солнечных батарей или коллекторов нанослоев некоторых веществ, позволяющих повысить степень поглощения падающего на поверхность солнечного излучения. Контрольные вопросы
Какие частицы называют однодоменными?
|