СООЭ СОВЕТСНИХв:мхащиРЕСПУБЛИК 75 09) Ш) А ГОСУДАРСТВЕ П 0 АЕЛАМ ИЗ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТН. АВТОИНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(7).) Кишиневский государствнныйцинский институт(54)(57) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯМОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ,КТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ,держащий источник питания, проэрачнуюемкость с атектролитом, магнит и связанные с источником питания электроды,о т л и ч а ю ш и й с я тем что, сцелью новы)цения наглядности, емкостьимеет прямоугольное сечение и подклк)- ченную к одному из полюсов источникапитания и распоаокенную в ней перегород, ку иэ электропроводного материала, раз деляющую емкость на. два сообщающихсясосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу источника,1027 Изобретение относится к демонстрационным приборам и нагляднымпособиямдля применения в учебном. процессе, в,частности к приборам по физике.Известен прибор для демонстрациидвижения ионов электролита в магнитномполе. Прибор выполнен слеующим абра;зом. На кольцевые керамические магнитыпоставлен плоский стеклянный сосуд, например кристаллиэатор, внутрь которого:10вставлены два электрода (кольцевой ицентральный прямолинейный). В сосудналит раствор медного купороса тек, .чтобы уровень жидкости был ниже крайсосуда на несколько миллкметров. На 5поверхности жидкости плавает ликоподийили пробковая пыль. При процусканиичерез электролит тока ионы при своемдвижении Отклоняются магнитным полеми жидкость между электродамн приходит 0во вращение, увлекая за собой плавающие материал 1),Недостатком этого прибора являетсямалая наглядность демонстрации при проведении опыта в болыдой аудитории. 5цель изобретения - повышение на"глядности демонстрации движения ионовэлектролита в магнитном поле.Указанная цель достигается тем, что; в приборе для демонстрации движения 30иойов электролита в магнитном поле,содержащем источник питания, прозрачнуюемкость с электролитом, магнит и связанные с источником питания электроды,емкость имеет прямоугольное сечение иПОДКЛЮЧЕННУЮ К ОДНОМУ Иэ ПОЛЮСОВ ИСточника питания и расположенную в нейперегородку из электропроводного материала, разделяющую емкость на два сообщающйхся сосудаэлектроды расположенына внутренних стенках емкости паращельно перегородке и подключены к второмуполюсу источника.На фиг. 1. Изображен прибор, общийвидна фиг, 2 - то же, поперечный раз 45резу 784 2Прибор содержит емкость 1 прямоугольного сечения иэ органического стекла. Перегородка 2 иэ 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 ромагнит и наблюдают, что жидкость в сосудах 3 и 4 остается на том же уровне. При подключении источника постоянноготака (соблюдая полярность, указанную нафиг. 1), плавно увеличивая вели пву тока,получают плавке изменение уровня жид кости в сосудах 3 и 4, Сила, действующая на ионный Ьток в левом сосуде 3,направлена вниз, а в правом сосуде 4 вверх, В резульйфге этого эффект действия магнитного ноля удваивается и уровещжидкости при достижении величины токав 5 А в левом сосуде 3 окажется нижеуровня, чем в правом на 4-5 см,При плавном понижении величины токажидкость в сосудах 3 и 4 возврюцаетсяк прежнему одинаковому уровню.,Затем повторяют опыт припеременеполярности и уровень жидкости в правомсосуде 4 становится ниже, чем в левом 3. Изобретение позволяет повысить нагпядиость демонстрации и, тем самым, повысить качество усвоения учебного материала и эффективность использования пособий в учебном процессе.1027784 Составитель Г. Самбикекарь Техред Т.Мат очка рек РедактоТиго Подписное д. 4/5 филиал ППП фПатенж, г, Ужгород роектная 4745/55 Тираж 488 ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская

Заявка

3400847, 22.02.1982

КИШИНЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ

КРОЙТОР ДМИТРИЙ СЕМЕНОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Учебный прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле

Похожие патенты

Пластины 5по две штуки на каждом углу (сверху и снизу), которые крепятся к оболочке 1 емкости при помощи клеевого. и болтовых соединений б. Болты проходят через отверстия в 10 пластинах 5 и оболочке 1. Пластины 5 имеютотверстия 7 диаметром, достаточным для прохода крюка грузоподъемного средства.Внутри оболочки 1 эластичной емкости установлены прерывающиеся в центре послед ней перегородки 8 из эластичного материала,состоящие из двух частей, каждая из которых установлена на верхней и нижней частях оболочки 1 емкости.В рабочем положении части перегородки 8 20 зашнурованы при помощи эластичной тесьмы9 путем поочередного продевания ее в петли 10, установленные по краям полуперегородок.Тесьма 9 завязывается узлом в начале и конце...

Возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле

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.

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.

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии . Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования : “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования : магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи :
1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.
3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.
4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования : изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

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, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или 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.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.

Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” .
С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу , мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

Преимущества МГД–генераторов

* Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
* В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
* Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
* При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
* Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%
* Высокая маневренность

Недостатки МГД–генераторов

* Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
* Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
* Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
* Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
* Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
* При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
* На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.

Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку “У–02”, работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки “У–25”, которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на “У–02”. Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов :
1. Магнит;
2. Соль;
3. Перец;
4. Батарейка;
5. Медные провода.

Ход работы:
1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.
2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.
3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).
4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!

Литература

1. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская литература, 1989.– 142 с.
2. http://ru.wikipedia.org/ – свободная энциклопедия
3. http://www.naukadv.ru – сайт “Физика машин”
4. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе //Двигатель, 2005, № 6
5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 1996
6. Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8
7. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.
8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.

Работу выполнила:

Володенок Анастасия Викторовна, ученица 10 класса

Руководитель:

Филатова Надежда Олеговна, к.п.н., учитель физики

МОУ Сибирский лицей
г. Томск

УДК 541.13

ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТА И ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Н.П. Горленко, Г.М. Мокроусов

Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: [email protected]

Рассмотрены процессы выделения металла и развитие конвективных потоков жидкости в условиях воздействия скрещенных постоянных электрического и магнитного полей на примере электролиза сернокислой меди различной концентрации. Показаны зависимости процессов массопереноса и массообмена в кольцевой осесимметричной ячейке от величины магнитной индукции и плотности тока

Известно, что воздействие магнитного поля на гетерогенные водно-солевые системы приводит к интенсификации процессов массопереноса и массообмена . Механизм этих явлений изучен недостаточно. Одним из возможных и информативных способов изучения процессов, протекающих в условиях внешних воздействий, является использование в качестве модельных электрохимических систем. Однако, принято считать, что гальваномагнит-ные эффекты значимо проявляются в тех материалах, в которых носителями заряда являются электроны. В жидкости, в силу малой подвижности ионов в растворах и необходимости соблюдения условия электронейтральности, процессы развития направленного переноса частиц несущественны. С другой стороны, движение электропроводящей жидкости в присутствии магнитного поля достаточно хорошо изучено и описано с позиций законов гидродинамики . При этом, как правило, не учитывается взаимодействие с магнитным полем движущейся в жидкости заряженной частицы. Практически не рассматривается возможность развития направленного потока вещества на фоне хаотического движения молекул. Наиболее полно теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении отражены в работах .

Целью настоящей работы является исследование развития направленных потоков жидкости в условиях скрещенных электрического и магнитного полей и выявление закономерностей интенсификации гетерогенных процессов методом магнитоэлектро-лиза.

Выбор электрохимической системы в качестве модельной обусловлен тем, что перенос массы - это одновременно и перенос электрических зарядов. Отсюда следует, что поток вещества и ток здесь являются одной и той же переменной; скорость массообмена может определяться по силе электрического тока, что существенно облегчает исследование кинетики массообмена в условиях внешних воздействий.

В работе исследовано воздействие скрещенных постоянного электрического и магнитного полей на сернокислые растворы меди. При использовании электрохимической ячейки прямоугольной формы рассмотрено (по выделению меди на "меченых" секциях электрода) распределение ионов меди по высоте электролита вблизи электрода и влияние маг-

нитного поля на выход металла. Выделение меди проводили в гальваностатическом режиме при силе тока 3-10"2 А в течение 1,8-103 с на 12-ти секционном платиновом катоде. Секциями ("метками") служили окна размером 2 10"5 м2, которые формировались в слое защитного покрытия фотолитографическим способом. Магнитное поле с индукцией В накладывалось таким образом, чтобы сила Лоренца, действующая на заряженные частицы в растворе, была направлена перпендикулярно направлению движения частиц под действием электрического поля.

Так как изучение конвективных потоков в ячейке прямоугольной формы требует специальных приемов визуализации, то данные исследования были проведены также в ячейке цилиндрической формы, представляющей собой внутренний платиновый электрод, диаметром НО-2 м и внешний угольный электрод диаметром 4-Ю-2 м.

В табл. 1 приведены данные эксперимента по распределению меди на секциях катода в прямоугольной ячейке на примере 0,02 М раствора сульфата меди.

Из экспериментальных результатов по распределению меди на секциях электрода можно сделать заключение, что воздействие магнитного поля не

Таблица 1. Распределение меди на секциях платинового катода при электролизе сернокислого 0,02 М раствора сульфата меди без и при воздействии магнитного поля

Номер секции катода Количество осажденной меди, 10"3 г

Д = 0Тл В = 0,2 Тл

1 0,86 + 0,02 0,93 ± 0,02

2 0,87 ± 0,02 0,94 ± 0,02

3 0,85 ± 0,02 0,94 ±0,02

4 0,83 ± 0,03 0,92 ± 0,03

5 0,86 ± 0,02 0,94 ± 0,02

6 0,84 ± 0,02 1,02 + 0,03

7 0,84 + 0,02 0,99 ± 0,02

8 0,88 ± 0,02 0,94 ± 0,02

9 0,85 ±0,03 0,93 ± 0,02

10 0,84 ± 0,02 0,88 ± 0,02

11 0,85 ± 0,02 0,90 ± 0,03

12 0,85 ± 0,02 0,88 ±0,03

Таблица 2. Общее количество осажденной меди из растворов различной концентрации в обычных условиях и при воздействии магнитного поля

Концентрация электролита, М Общее количество осажденной меди, 10"3 г

5 = 0 Тл 5 = 0,2 Тл

0,02 8,5 ± 0,03 9,4 ±0,02

0,05 10,5 ±0,02 11,7 + 0,02

1,0 14,5 ± 0,03 15,9 ±0,03

Фо _1пгн!гвн

Из уравнений (4) следует, что сопротивление ячейки и протекающий через нее ток не зависят от ее радиуса, в то время как напряженность электрического тока является зависимой величиной. Электрическое поле увеличивается при приближении к внутреннему электроду. Соответственным образом изменяется и концентрационный профиль электролита, если в растворе отсутствует перемешивание. При перемешивании градиент концентрации име-

ет место только в граничных областях. Величина силы Лоренца (Е, = 1еВИ) пропорциональна Е, поэтому при ЕШс учетом (3), она также будет увеличиваться при приближении к внутреннему электроду-

вызывает заметного перераспределения ионов металла в растворе по его высоте /г, а количество осажденной меди возрастает в среднем на 10 % для каждой из исследуемых концентраций раствора (табл. 2).

Полученный результат можно объяснить уменьшением перенапряжения электроосаждения металла, например, за счет возникновения конвективных потоков которые экспериментально удобно наблюдать в кольцевой осесимметричной ячейке визуальным способом.

Под действием силы электрического поля Е= ггЕ ионы массой т двигаются с ускорением аЕ~ геЕ/т. Их среднюю скорость в направлении электрического поля за время х0 можно принять равной:

иЕ = аЕх0 = геЕт(/т =\хЕ = гР^Е, (1) где де - заряд частицы, Е - напряженность электрического поля, (I - подвижность иона, Р- число Фарадея.

Среднестатистическую плотность ионов в растворе можно считать неизменной, так как иЕ» ив (ив - скорость движения иона под действием силы Лоренца). Тогда ток, протекающий через сечение площадью 5, может быть выражен:

1 = гецЕ5 = аЕЯ, (2)

где о - проводимость раствора.

Напряженность электрического поля Е(г) в зависимости от внутреннего и внешнего радиусов ячейки и прикладываемой к ней разности потенциалов ф0 = фн -фвн выразится как:

£(г) = ф0Мп(г„ 1гт), (3)

где г - радиус ячейки, гн, гт - радиусы наружного и внутреннего электрода соответственно.

Тогда величина полного тока (Г), протекающего через некоторое сечение площадью £ = 2пгИ и сопротивления ячейки (К) с учетом (2, 3):

где В - значение магнитной индукции, V- скорость движения ионов.

Развивающееся в граничной области под действием электрического поля ускорение заряженных частиц и их взаимодействие с магнитным полем приводит к тому, что средняя скорость гидратированных ионов становится больше скорости перемещения жидкости. Если средняя скорость различна, то при обмене ионами в параллельных слоях будет происходить перенос определенного количества движения, поэтому медленные слои жидкости ускоряются. Это приводит к общему движению раствора в кольцевой ячейке в направлении действия силы Лоренца, которое через определенное время приобретает стационарную скорость. На рис. 1, 2 приведены зависимости скорости вращения жидкости в цилиндрической ячейке от магнитной индукции и величины плотности тока на примере 0,1М раствора сернокислой меди.

Скорость стационарного течения жидкости в центре канала с определенным уровнем приближения может быть рассчитана по уравнению : и_ 1Вг г4 - 2г21пУ + 1

16тс/гт| г2(г + 1) ’ ^

где т) - кинематическая вязкость раствора.

В соответствии с уравнением (6), скорость движения электролита обратно пропорциональна его вязкости. Последняя возрастаете увеличением концентрации и оказывает существенное влияние на развитие конвективного движения раствора. Экспериментальные данные показывают, что при увеличении концентрации соли меди на порядок, скорость течения изменяется на 8... 10 %. В то же время для близких значений вязкости электролита, концентраций, зарядов ионов значения скоростей одинаковы в пределах ошибки измерений.

Зависимость интенсивности массообмена от скорости движения электролита выражается соотноше-

Рис. 1. Зависимость скорости вращения (II) 0,1 М раствора сернокислой меди от величины магнитной индукции (В) при плотности тока 400 А/м2

Рис. 2. Зависимость скорости вращения 0,1М раствора суль -фата меди от плотности тока и величины магнитной индукции (J±B)B, Тл: 1) О,1;2) 0,2;3) 0,3;4) 0,4

Рис. 3. Зависимость интенсивности массообмена от скорости вращения 0,1 М раствора сульфата меди при различных значениях индукции магнитного поля Си. В) В, Тл: 1) 0,1; 2) 0,2; 3) 0,3; 4) 0,4

Рис. 4. Потенциодинамические характеристики электролиза 0,1М раствора сернокислой меди в осесимметричной ячейке при воздействии магнитным полем (11В): 1) В=0Тл; 2) В = 0,2 Тл; 3) В = 0,4 Тл; 4) при перемешивании раствора со скоростью 0,08 м/с

1 поток ча-

ниями: БЬ = ^¡и = Лз = I, где /- общий I стиц, БЬ = - безразмерный критерий Шервуда,

характеризующий интенсивность массообмена и соотношение размеров тела и диффузионного слоя, Р - коэффициент массопередачи, пропорциональный /-линейный размер тела, 5-толщина диф-

фузионного слоя. На рис. 3 показана зависимость интенсивности массообмена от скорости вращения жидкости в цилиндрической ячейке и величины магнитной индукции.

Сравнивая экспериментальные данные на рис. (1-3) с уравнением диффузионного потока в случае

обтекаемой

пластины: У = 0,34 0

4и_(Т1 л/п* I о

Ку/и, можно утверждать, что интенсификация процесса массообмена при данных условиях эксперимента обусловлена развитием направленного конвективного потока электролита, так как в условиях скрещенных электрическом и магнитном полей выполняются подобные зависимости: / = ¡(и)1/2, и=/(В). В свою очередь, ]=/(и){>2, и значение скорости движения заряженных частиц также определяется величиной индукции магнитного поля.

Катодные поляризационные кривые, полученные в потенциодинамическом режиме при механическом перемешивании раствора и при воздействии магнитным полем показывают, что воздействие магнитным полем приводит к более существенным изменениям вида поляризационных кривых по сравнению с принудительной конвекцией, даже если скорость искусственного перемешивания больше скорости, достигаемой за счет силы Лоренца (рис. 4).

Приведенные данные доказывают, что развитие конвективного потока жидкости - результат действия силы Лоренца, проявляющейся непосредственно в области приэлектродного слоя. Таким образом, при действии магнитного поля создаются новые условия формирования границы раздела фаз, недостижимого другими известными способами, например, простым перемешиванием раствора, что может быть эффективно использовано при разработке энергосберегающих технологий при выделении металлов электрохимическими способами. Можно утверждать, что интенсификация массопе-реноса при воздействии магнитным полем обусловлена развитием направленного движения электролита в объеме раствора и, как следствие, уменьшением толщины диффузионного слоя. Учитывая взаимосвязь 5 с интенсивностью потока частиц на поверхность обтекаемого электрода, можно записать следующие зависимости: и=^В); г =Д 11)^2^=Лс10); ¿о=/(иА/2). Выявленные закономерности, по-видимому, проявляются в любой гетерогенной системе, где осуществляется направленный перенос заряженных частиц, что может являться одной из причин проявления эффектов магнитной обработки, наблюдаемых при проведении широкого ряда гетерогенных процессов, например, кристаллизации, ионного обмена, твердении цементных композиций и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982. - 196 с.

2. Блум Э.Я., Михайлов Ю.А., Озолс Р.Я. Тепло- и мас-сообмен в магнитном поле. - Рига: Зинатне, 1980. -355 с.

3. Библиографический указатель 1959-1979 гг. Влияние электромагнитных и магнитных полей на электрохимические и химические процессы. - Новосибирск, 1980. - 124 с.

4. Бондаренко Н.Ф., Гак Е.З. Электромагнитные явления в природных водах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

5. Гак Е.З. К вопросу о гидродинамическом эффекте в сильных электролитах // Электрохимия. - 1967. -Т. 3. - № 1. - С. 89-91.

6. Зайченко В.Н. Магнитные поля в электрохимии // В кн.: Теоретические вопросы электрохимической кинетики. - Киев, 1984. - С. 85-94.

7. O"Brien K.N., Santhanam K.S. Magnetic field on the growth on the diffusion layer at vertical electrodes during electrodeposition //J. Electrochem. Soc. - 1982. -V. 129. - № 6. - P. 1266-1268.

8. Noninski C.J., Noninski V.C., Terziyski V.J. Copper deposition and overvoltage in magnetic field in the tafel potential region // Renn. Soc. int. electrochim. - Lion. 6-10 sept. 1982. - V. 2. - P. 939-941.

9. Пехтелева A.B., Смирнов А.Г. Гидродинамика электролита при электрохимических процессах в прямоугольной ванне с плоскими электродами в постоянном магнитном поле // Магнитная гидродинамика.

1965. - № 2. - С. 89-91.

10. Guraichi M.S., Fahidy T.Z. A technique for the study of flow patterns in electrolysis // J. Electrochem. Soc. -1980.-V. 127. - P. 666.

УДК 543:615.2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАТИНЫ МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ У БОЛЬНЫХ РАКОМ ЛЕГКОГО

H.A. Колпакова, Е.А. Смышляева, A.A. Завьялов, А.Ю. Добродеев, С.А. Тузиков, С.А. Антипов

Томский политехнический университет Тел.: (382-2)-415-832

Методом инверсионной вольтамперометрии изучена способность различных тканей и крови концентрировать платину, входящую в состав цисплатина, используемого при лечении больных раком легкого. Наибольшая концентрация определялась в опухолевой ткани 29,9±0,081 мг/кг в сравнении с регионарны ми лимфатическими узлами 3,7±0,247 мг/кг, легочной тканью 1,7±0,117 мг/кг и периферической кровью 0,8±0,086 мг/кг. Полученные результаты позволяют использовать цисплатин в качестве радиосенсибилизатора для усиления лучевого воздействия при проведении интраоперационной лучевой терапии у боль -ных раком легкого III стадии.

Рак легкого занимает ведущее место как причина смерти среди онкологических больных в нашей стране и за рубежом. Увеличение темпов роста заболеваемости и смертности от рака этой локализации сочетаются с трудностями своевременной диагностики, а, следовательно, и с неудовлетворительными результатами лечения.

К настоящему времени хирургическое лечение рака легкого достигло весьма высокого уровня развития, но, в известной степени, исчерпало свои возможности. Показатель пятилетней выживаемости радикально оперированных пациентов на протяжении последних десятилетий не превышает 30 %. Определенные надежды связываются с развитием комбинированного лечения, когда хирургическое вмешательство сочетается с лучевой терапией .

В последнее время при раке легкого используется метод интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), позволяющий подвести эффективную однократную дозу облучения непосредственно назоны регионарного метастазирования . Совершенство-

вание метода интраоперационной лучевой терапии может быть связано с увеличением разовой дозы облучения. Однако это неизбежно приведет к увеличению числа послеоперационных осложнений и летальности, что полностью будет нивелировать положительный эффект облучения. Более перспективным подходом к повышению эффективности лучевой терапии является использование радиосенсибилизаторов.

По мере изучения препаратов платины выяснилось многообразие механизмов их действия. Цисплатин, являясь противоопухолевым препаратом на основе платины, обладает свойствами цитостатика и радиосенсибилизатора одновременно: кроме непосредственного токсического влияния на опухоль, он повышает чувствительность опухолевых клеток к лучевой терапии, причем для этого необходимы дозы, значительно меньшие, чем терапевтические.

В опухолевой клетке комплексы платины ковалентно связываются с ДНК, формируя сшивки внутри и между нитями ДНК. При воздействии ионизи-