ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

Телегин Г.С. 1
1муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования "Дом детского творчества "Дриада"
Михедько О.Г. 1
1МБУДО "ДДТ "Дриада"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Человечество всегда будет находиться в поиске новых источников энергии, стремясь найти самый универсальный, неисчерпаемый и экологически чистый. Огромная часть энергии сосредоточена в Мировом океане. Мы научились использовать энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Морская вода обладает еще одним уникальным свойством – она является природным электролитом и содержит огромное количество различных положительных и отрицательных ионов. Если заставить двигаться положительные и отрицательные ионы в нужном направлении, то можно получить неисчерпаемый природный источник электрического тока. Силы, приводящие в движение электрические заряды внутри источника тока, называются сторонними силами и имеют неэлектрическое происхождение. Природа этих сил может быть разнообразна.

Нас заинтересовала возможность использования магнитной силы для создания напряжения между полюсами источника тока с жидкой проводящей средой. В основу исследования положен магнитогидродинамический эффект (МГД-эффект) - возникновение электрического тока при движении электропроводящей жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Еще в шестидесятых годах прошлого века в нашей стране были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования в области магнитогидродинамики, созданы экспериментальные установки с движущимся горячим ионизованным газом или плазмой. Однако, серьезного развития МГД-энергетика так и не получила.

Мы предполагаем, что особенности нашего региона, в частности наличие морского побережья, а, следовательно, большого объема морской воды, позволяют заняться проблемой создания новых источников электроэнергии на основе магнитогидродинамического эффекта. Прямое преобразование кинетической энергии движения ионов в электрическую даст возможность повысить КПД установок, сохранить экологию региона. В этом мы видим актуальность нашего исследования.

Цель работы: исследование физических условий возникновения разности потенциалов между электродами в электролите под действием постоянного магнитного поля.

Объект исследования – движение заряженных частиц в магнитном поле, предмет исследования – МГД-эффект в движущихся электролитах.

Для реализации поставленной цели нам необходимо было решить ряд задач:

Изучить теоретический материал по теме исследования;

Провести эксперименты по исследованию влияния физических характеристик электролита и внешнего магнитного поля на величину ЭДС источника;

Создать действующую модель МГД-генератора на электролите;

Обобщить результаты исследования и сделать выводы.

При выполнении исследования нами использовались следующие методы: наблюдение, анализ, эксперимент, моделирование.

Результаты исследования могут быть использованы на уроках физики при изучении электродинамики.

Глава 1. Теоретические вопросы магнитогидродинамики

МГД-эффект

Датой зарождения современной электроэнергетики можно назвать 1831 год, когда великий Майкл Фарадей в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» описал явление электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции лежит в основе практически всех электромашинных генераторов. Именно они преобразуют в электричество энергию ядерного распада на АЭС, потока воды на ГЭС, давление пара на ТЭЦ, энергию ветра на ВЭС. И в этом кроется основной недостаток – наличие движущихся узлов и деталей, которые необходимо регулярно осматривать и заменять.

Казалось бы, без использования движущихся деталей невозможно преобразовать энергию движения в электрическую. Но есть исключение из этого правила: МГД-генераторы. Они тоже вырабатывают электричество за счет энергии движения. Но при этом не содержат ни одной движущейся детали1.

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.

Майкл Фарадей предполагал, что в движущейся воде должна возникнуть разность потенциалов. Он даже пытался измерить ее в реке Темзе, опустив электроды в воду, однако потерпел неудачу. Объяснить ее можно лишь низкой чувствительностью приборов, которыми он пользовался.

Лишь спустя 19 лет эта разность потенциалов была измерена физиком Волластоном. И тогда же Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил использовать этот эффект для преобразования энергии движения морской воды во время приливов в электрическую энергию2.

1.2.Как работает МГД-генератор

Принцип работы МГД-генератора, как и обычного электромашинного, основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении электрического тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. Но проводником в МГД-генераторе служит не катушка ротора, а жидкость или газ, рабочее вещество, в котором имеются электрические заряды разных знаков – отрицательные электроны и положительные ионы.

Генератор состоит из канала (рис.1), по которому движется рабочее вещество, системы магнитов и электродов, отводящих электроэнергию. В качестве рабочего вещества служат ионизированный газ высокой температуры (плазма), образующийся при сгорании природного газа, либо жидкого углеводородного топлива. Если этот поток попадёт в область магнитного поля перпендикулярно силовым линиям, то на каждую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца. Положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону, отрицательно заряженные – в противоположную. Если в нужных местах разместить два электрода, то на них будут скапливаться разноимённые заряды и возникнет ЭДС; а в проводнике, соединяющем электроды, пойдёт электрический ток.

Таким образом, в МГД-генераторе механическая энергия движущегося горячего газа преобразуется в электрическую энергию. В МГД-генераторе нет никаких движущихся частей, поэтому этот метод называют также методом безмашинного преобразования тепла в электричество. Он позволяет повысить КПД электростанции на 10-15%, а каждый процент-это экономия миллионов тонн топлива.

Глава 2. Исследование МГД-эффекта в электролитах

2.1. Описание рабочей установки и характеристик электролита

Так как МГД-генератор непосредственно преобразует тепловую энергию в электрическую, то для реализации такого способа необходимо иметь рабочее тело в виде плазмы. Однако плазменное состояние наступает при очень высокой температуре. Поэтому в качестве рабочего вещества мы использовали раствор поваренной соли различной концентрации: 5%, 10%, 15%, 20%, 30%. Кроме того, для исследования и сравнения была взята вода Черного и Баренцева морей.

Растворы солей и кислот, проводящие электрический ток, называются электролитами.

Если растворить в воде кристаллы поваренной соли, то они в результате электролитической диссоциации распадаются на положительные и отрицательные ионы. Электролитическая диссоциация – полный или частичный распад растворенного вещества на ионы. Эти ионы участвуют в хаотическом тепловом движении.

Для экспериментальной части работы мы взяли стакан с раствором поваренной соли, поместили в раствор электроды на расстоянии 2 см друг от друга. В качестве электродов использовали алюминиевые и медные пластины, угольные электроды. Стоит отметить, что электроды – важный элемент МГД-генератора. Для них подойдет не всякий электропроводный материал. Он должен удовлетворять следующим условиям:

- быть устойчивым к коррозии в соленой воде;

- быть не магнитным (иначе сильно изменится магнитное поле внутри рабочего канала);

- хорошо проводить электрический ток;

- должен быть прост в обработке;

- должен легко присоединяться пайкой к электрическим проводам.

Для того чтобы между электродами возникла разность потенциалов, заряженные частицы необходимо направить к электродам, чтобы на них накапливались заряды разных знаков. Для этого установку нужно поместить в магнитное поле, линии которого будут направлены перпендикулярно скорости движения заряженных частиц. Тогда на заряженные частицы со стороны магнитного поля будет действовать сила Лоренца, являющаяся сторонней силой, разделяющей электрические заряды.

Сила Лоренца, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле со скоростью Vопределяется по формуле: , где q – заряд частицы, B – величина индукции магнитного поля, α – угол между направлением вектора магнитной индукции и скоростью частицы. Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки.

Для усиления теплового движения раствор подогревали снизу.

Значение возникающего напряжения измеряли с помощью милливольтметра.

При комнатной температуре нами были получены значения разности потенциалов между электродами. Результаты представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнение разности потенциалов (мВ) для различных электродов и концентраций электролитов при комнатной температуре (26°С)

Концентрация раствора электролита

Напряжение U, мВ

Алюминиевые электроды (пластина)

Медные электроды (пластина)

Угольные электроды

5%

7,6

10,7

212

10%

6,3

11,5

206

15%

5,9

9,8

198

20%

3,4

7,6

192

30%

3,1

7,4

164

Вода Черного моря, ~17°/оо

5,8

11,4

202

Вода Баренцева моря, ~32°/оо

4,6

9,6

159

В результате мы убедились, что увеличение концентрации электролита не приводит к увеличению разности потенциалов между электродами. Чем выше концентрация раствора, тем ниже степень диссоциации молекул, т.е. уменьшается отношение количества распавшихся молекул к изначальному числу молекул, попавших в раствор. При высокой концентрации ионы разных знаков взаимодействуют между собой, а значит, снижается их подвижность и скорость движения.

2.2. Зависимость разности потенциалов между электродами от концентрации электролита и его температуры

На первом этапе исследования нам необходимо было определить оптимальную концентрацию и температуру электролита для получения максимально возможной разности потенциалов. При этом измерялись значения напряжения между электродами при отсутствии и наличии магнитного поля.

Чтобы наблюдать проявление МГД-эффекта, необходимо обеспечить движение ионов. В закрытом сосуде этого возможно добиться нагреванием жидкости. При конвективном движении жидкости на ионы в электролите будет действовать сила Лоренца, направляющая их к электродам. В результате наблюдается увеличение разности потенциалов.

Для измерения температуры использовали лабораторный жидкостный термометр с пределом измерения 100°С, медные электроды размером 2см х 14см. Для подогрева электролита использовали лабораторную электроплитку мощностью 350Вт. ЭДС фиксировали милливольтметром.

По мере нагревания электролита показания милливольтметра увеличивались, а затем уменьшалось при определенной температуре. На графиках (Приложение 1) приведены результаты показаний милливольтметра в магнитном поле и без него для различных концентраций электролитов.

 

°С

°С

°С

Таким образом, мы убедились, что в результате тепловой конвекции между электродами возникают упорядоченные потоки жидкости. При этом на движущиеся ионы начинает действовать сила Лоренца, что приводит к увеличению разности потенциалов между электродами.

Наибольшее значение напряжения мы получили при нагревании воды Черного моря, соленость которого почти в 2 раза ниже воды Баренцева моря.

При увеличении температуры электролита разность потенциалов увеличивается, но при температуре порядка 55-60°С жидкость равномерно прогревается и скорость теплового движения снижается, разность потенциалов начинает уменьшатся.

2.3. Исследование зависимости разности потенциалов от расстояния между электродами

Для определения оптимальных условий получения максимальной разности потенциалов между электродами необходимо исследовать влияние расстояния между электродами на значение напряжения. Так как на значение напряжения влияет и масса электролита (чем больше электролита находится в сосуде, тем больше площадь электрода, погруженного в жидкость, тем больше и разность потенциалов), при проведении экспериментов в сосуд помещалось одинаковое количество электролита.

Кроме того, мы обратили внимание, что любое перемещение электрода в электролите вызывает изменение напряжения. Движение электродов приводит к изменению скорости ионов в растворе, что приводит к скачку напряжения, т.к. к скорости теплового движения ионов добавляется скорость движения самого электролита.

В пластиковую кювету поместили медные электроды на расстоянии 10 см, под дно кюветы поместили постоянный магнит. Измерение проводили при оптимальных значениях температур по результатам предыдущего эксперимента: от 55 до 65°С. Электролит прогревали на плитке и затем помещали в кювету. Результаты измерения разности потенциалов представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Измерение разности потенциалов при различных значениях расстояния между электродами.

Разность потенциалов между электродами,U,мВ

Электролит

Расстояние между электродами, см

10

9

7

5

4

3

2

1

Раствор поваренной соли, 10%

19,7

17,5

16,7

14,3

12,2

11,3

10,8

8,4

Вода Черного моря, соленость ~17°/оо

16,7

16,4

15,1

13,4

12,1

10,4

8,9

6,9

Вода Баренцева моря, соленость ~32°/оо

10,1

7,2

7,2

6,6

4,6

4,4

3,2

3,1

Графики зависимости разности потенциалов при различных значениях расстояния между электродами представлены в Приложении 2.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что разность потенциалов увеличивается при увеличении расстояния между электродами, т.е. чем шире будет канал в МГД-генераторе, тем большее значение выходного напряжения мы можем получить. Расстояние между электродами в нашем случае ограничено размерами стакана при проведении опытов и размерами рабочего канала действующей модели. При большом расстоянии между электродами модели трудно обеспечить большую скорость движения электролита. При небольшой скорости теплового движения ионов в электролите разность потенциалов не велика. Для получения большего значения необходимо создать движущийся поток электролита.

2.4. Математический расчет и испытание моделей

Для создания модели МГД-генератора необходимо выбрать рабочее вещество и продумать, как обеспечить его движение. В качестве рабочего вещества выберем морскую воду. Для упрощения конструкции используем постоянные магниты, расположенные на противоположных сторонах конструкции.

Рассчитаем основной параметр модели МГД-генератора - напряжение U между его электродами. Предположим, что сопротивление нагрузки бесконечно, т.е. нагрузка разомкнута. Работа сторонних сил (магнитных) равна А = qU, откуда (1), где q – заряд иона. С другой стороны работа (2), где d – расстояние между электродами, а сила Лоренца, действующая на ионы, равна Fл=qVB (3).

С учетом формул (1)-(3) получаем:

= VBd (4).

Скорость движения ионов равна скорости потока электролита в трубе. Рассчитаем значение скорости по следующей формуле:

(5). Q – расход воды в м3/с, S-площадь сечения внутреннего канала, м2. Расход воды вычислим по времени движения воды в камере.

Определим величину магнитной индукции постоянного магнита. Для этого используем якорь из металлической пластинки, к которому прикреплена нить с петлей. К свободной петле нити прикрепляем динамометр и приводим его в медленное движение. В момент отрыва якоря фиксируем показания динамометра.

Величину магнитной индукции определяем по формуле (5).

Вычисление разности потенциалов проводим по формуле (4): U= VBd.

В процессе исследования нами разработаны две модели МГД-генератора (Приложение 3).

За основу первой модели взят прибор для изучения обтекаемости тел. В камеру прибора поместили тонкие электроды из листовой меди, с двух сторон камеры разместили кольцевые керамические магниты.

Вторая модель собрана самостоятельно. Рабочий канал склеили из четырёх пластин оргстекла размером 11x2 см, электроды изготовили из листовой меди. Вдоль рабочего канала размещены плоские ферритовые магниты, размещенные разноименными полюсами внутрь камеры (Приложение 3).

Основные расчетные характеристики моделей представлены в таблице 3.

Модель

Расстояние между электродами, d, м

Расход электролита, Q, м3

Скорость движения электролита, V, м/с

Магнитная индукция, В, Тл

Расчетное значение разности потенциалов, U, мВ

Экспериментальное значение разности потенциалов,

U, мВ

№1

0,01

0,0003

24,0

0,0615

7,4

7,2

№2

0,02

0,0013

13,0

0,3800

98,8

101,7

Расчеты для модели №1.

За 5с через камеру проходит 1,5л жидкости. Следовательно, расход электролита Q = 0,0015м3 /5с = 0,0003 м3 /с.

Значение магнитной индукции равно . Скорость движения электролита в канале равна: .

По формуле (4) разность потенциалов между электродами для модели №1:

U= 24·0,0615·0,005=0,00738В=7,38мВ

Реальное значение разности потенциалов при испытании модели оказалось равным 7,2мВ. Считаем, что в расчетных формулах не учтена концентрация заряженных частиц и температура электролита.

Расчеты для модели №2.

За 4с через камеру проходит 5л жидкости. Следовательно, расход электролита Q = 0,005м3 /4с = 0,00125 м3 /с.

Магниты, используемые при создании второй модели, изготовлены из феррита бария (марка Y3OH-1). Значение магнитной индукции, по данным производителя, для таких магнитов составляет 0,38-0,40Тл.

Скорость движения электролита в канале равна: .

По формуле (4) разность потенциалов между электродами:

U= 13·0,38·0,02=0,0988В=98,8мВ

При испытании модели разность потенциалов имела значение от 50 до 102мВ.

Оценим относительную погрешность вычисления разности потенциалов:

, где ΔV, ΔВ, Δd - абсолютные погрешности величин.

ΔV= 0,1м/с, ΔВ=0,01Тл, Δd=0,5см=0,0005м

Заключение

В результате проведенного исследования мы изучили физические процессы, лежащие в устройства МГД-генераторов, разработали и создали собственную модель.

Мы убедились, что в сосуде с электролитом, расположенным между полюсами постоянного магнита, при создании потоков жидкости, можно получить разность потенциалов между немагнитными электродами.

Величина ЭДС такого источника зависит от температуры раствора, его концентрации и расстояния между электродами.

Увеличение концентрации раствора электролита не всегда приводит к увеличению разности потенциалов. При большой концентрации раствора уменьшается степень диссоциации и скорость движения ионов.

При отсутствии магнитного поля можно получить разность потенциалов между электродами, обусловленную тепловым движением ионов. Внешне магнитное поле, линии которого расположены перпендикулярно потоку частиц, действует на ионы с силой Лоренца, и направляет их к противоположным электродам, что приводит к увеличению разности потенциалов.

Разность потенциалов увеличивается при увеличении расстояния между электродами, т.е. чем шире будет канал в МГД-генераторе, тем большее значение выходного напряжения мы можем получить.

Нами собраны две модели МГД-генератора. Проведен расчет моделей и их практические испытания. Испытание моделей проведено со следующими электролитами: раствором поваренной соли, водой Черного и Баренцева морей. Максимально значение разности потенциалов зафиксировано 102мВ.

Считаем, что магнитогидродинамический эффект может использоваться, например, на приливных электростанциях Кольского полуострова для увеличения их выходной мощности.

Список литературы

Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант.-1980.- № 11.- с. 2–8

Жимерин Д. Большой эксперимент // Наука и жизнь. -1970. - № 12

Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.2. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1985. - 479 c.

Мамаев О. Как из движения сделать электричество: МГД-генераторы // Наука и жизнь. -2015. - № 8. -с. 72-80.

Шилов В. Ф. Лабораторные работы в школе и дома: электродинамика.-М.: Просвещение, 2006.-110c.

Приложения.

Исследование магнитогидродинамического эффекта в электролитах

Телегин Глеб Сергеевич

Россия, Мурманская область, г.Снежногорск,

МБУДО «Дом детского творчества «Дриада», 10 класс

Приложение 1.

 

°С

Приложение 2.

Графики зависимости разности потенциалов при различных значениях расстояния между электродами


Приложение 3.

1Мамаев О. Как из движения сделать электричество: МГД-генераторы // Наука и жизнь. -2015. - № 8. -с. 72-80.

2Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант.-1980.- № 11.- с. 2–8.

Просмотров работы: 17