"Salus populi suprema lex est"
Международное общественное объединение

1872 - 2018

Russian Physical Society, International

Международное общественное объединение Русское Физическое Общество (сокращённо – РусФО, RusPhS) - добровольное объединение учёных, инженерно-технической интеллигенции, изобретателей, предпринимателей для совместной интеллектуальной и научно-практической деятельности в области естествознания, - науки о природе.
Научная цель: построение единой физической картины мира и поиск основной целевой функции человечества.

Заев Н.Е. Концентраторы энергии окружающей среды - кэссоры



ЛАУРЕАТЫ
ПРЕМИИ РУССКОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
 
ЗАЕВ НИКОЛАЙ ЕМЕЛЬЯНОВИЧ
 

КОНЦЕНТРАТОРЫ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - КЭССОРЫ

(Энергетика цикла «зарядка - разрядка» конденсаторов)


Москва, 1978 ÷ 1985 гг.
 
 

Расширена интерпретация петли гистерезиса: она даёт информацию о выделении и поглощении как тепловой, так и электрической энергии и их взаимоконверсии. Анализ частных петель гистерезиса показал, что в нелинейных конденсаторах (при Nε > 0) энергия разрядки может превосходить энергию зарядки (то есть: tgδ < 0) за счёт охлаждения диэлектрика конденсатора. Эти выводы подтверждены экспериментально тремя способами измерения энергии на варикондах. Такие же результаты по энергетике цикла «Намагничивание - размагничивание» ожидаются в индуктивностях с ферритами или магнитодиэлектриками (когда ∂μ/∂Н > 0): они также способны преобразовывать энергию окружающей среды в электрическую.
 
СОДЕРЖАНИЕ

  1. Анализ петли гистерезиса.
2. Термодинамические оценки энергетики зарядки и разрядки варикондов.
3. Калориметрические измерения актов зарядки и разрядки емкостей.
4. Измерение энергии актов зарядки и разрядки варикондов.
5. Измерение мощности зарядки и разрядки варикондов.
6. Осциллографирование кулон-вольтных кривых актов зарядки и разрядки варикондов.
7. Выводы.
8. Заключение.
9. Литература.
10. Справка о ходе исследования.
11. Приложения. Расчёты.
 
1. Анализ петли гистерезиса
 
Петля гистерезиса в координатах «Q - U» (заряд - разность потенциалов) или «Р - Е» (поляризация - напряжённость электрического поля) и особенно - петля частного цикла, используются для изучения свойств диэлектриков, особенно - нелинейных емкостей (НЕ) [1, 2]. Однако энергетический аспект информации, содержащийся в кулон-вольтных кривых петли постоянно остаётся без внимания, если не считать утверждений о том, что площадь петли означает уровень потерь энергии. Строго говоря, и это не всегда верно, ибо за диэлектрический гистерезис можно принять нелинейные диэлектрические потери. Возможно, это объяснимо существующей и на сегодня неопределённостью в исходных понятиях о петле. Считается, что элементарное изменение энергии в линейной ёмкости (ЛЕ) и в НЕ dAΘ = U·dQ, так что площадь между осью ординат (Q) и кривой петли в определённом масштабе представляет энергию ЛЕ, НЕ [3, 4]. Площадь же между осью абсцисс (U) и кривой петли - представляет так называемую коэнергию - обходимую вниманием. Она, очевидно, является интегралом её элементарного изменения dAэ = Q·dU.

Понятие коэнергии введено формально, по необходимости для решения задач, связанных с нелинейными емкостями (индуктивностями), без раскрытия её физического смысла.

Термодинамика ЛЕ хорошо разработана [5], чего нельзя сказать о термодинамике НЕ. Полагая энергию заряженной ёмкости А = ½·QU, находим её элементарное изменение (в единице объёма):
 
dA = ½·U·dQ + ½·Q·dU                                                                           (1)
 
Оно равно сумме изменений энергии и коэнергии. Если ёмкость зависит от разности потенциалов, то:
 
dA = ½U∙d[C(U)∙U] + ½∙[U∙C(U)]∙dU = ½U∙[U∙dC(U) + C(U)·dU ] + ½U∙C(U)·dU.                                     (2)
 
Если же С = const, то из (2) следует, что dA = C∙U∙dU = Q∙dU = U∙dQ, то есть понятия энергии и коэнергии для ЛЕ - совпадают и они равны меж собой численно. Только для НЕ эти понятия имеют различающийся смысл. Однако различие ещё не установлено. А оно, оказывается, существует и далеко нетривиально. Последовательное использование его приводит к новым следствиям в анализе петель гистерезиса. Элемент «энергии» в виде U∙dQ означает её изменение (за dt) при U = const в течение dt вследствие изменения ёмкости: dQ = U∙dC. А оно происходит спонтанно «катализируемое» полем Е в НЕ или ЛЕ. При этом: dQ = i∙dt, то есть работа внешнего источника на заряжение, есть работа над диэлектриком: dAΘ = U∙i∙dt = U∙dQ, затрачиваясь на зарядку спонтанно возникающей (дополнительной) ёмкости, сопровождается теплом поляризации, как бы превращаясь в это тепло dΘ (или частично в механическую работу). Разумеется, процесс ±dC обычно сопровождается соответствующими по знаку изменениями энтропии в случае изотермического проведения цикла «ЗР».

События разрядки реализуются только вследствие распада упорядоченного состояния (заряженного) диэлектрика, что по необходимости сопровождается ростом энтропии при - dC (снижением - при + dC). Именно эти молекулярные явления выделения (или поглощения) тепла обуславливают и за­пасание, и отдачу электрической энергии в ЛЕ и НЕ. Следовательно, эта часть энергии конвертиру­ема: электрическая энергия ↔ тепловая энергия. Коэнергия же, Q∙dU, очевидно есть работа источника (dU) над зарядом Q, рассматриваемым постоянным в течение dt, - времени изменения напряжения.

По [6] в ЛЕ (стр. 221) нет коэнергии, вся подведённая электрическая энергия (в адиабатном процессе) превращается в тепловую, а при разрядке - наоборот. По [5] же тепло в ЛЕ выделяется лишь при условии, что её диэлектрик имеет ТКЕ ≠ 0. С изложенной точки зрения всегда часть вводимой при зарядке энергии превращается в тепловую, а при разрядке - вновь в электрическую.

Как показывает опыт, ни утверждение по [6], ни по [5] - не универсальны: уровень тепловыделения даже в ЛЕ зависит от природы диэлектрика. Эта неоднозначность обусловлена особенностями механизма (природой) запасания подводимой энергии в ЛЕ и НЕ, уровнем сопутствующих изменению напряжённости поля изменения в свойствах диэлектрика (теплоёмкости, объёма, температуры и т. д.). Если же этих изменений нет, то в измеримую тепловую энергию в ЛЕ может превращаться половина энергии зарядки. Относительно НЕ - вопрос сложнее.

В НЕ: с ∂C/∂U > 0, (∂ε/∂E > 0) по вышеизложенному - энергия ∫dAΘ = ∫U∙dQ - обуславливает выделение тепла (совершение механической работы) при изотермической зарядке (нагрев НЕ - при адиабатной), поглощение тепла при изотермической разрядке (охлаждение ∙ при адиабатной). Отношение UdQ/QdU - показывает «цену» элемента тепловой энергии в единицах электрической. В простейшем случае: C(U) = Со + aU; так что UdQ/QdU = 1 в ЛЕ; в НЕ - это отношение равно: 1 + aU/C0 + aU. Следовательно, в НЕ в тепло тем больше превращается энергии зарядки, чем выше а = ∂С/∂U и чем выше напряжение (но не выше Umax). Соответственно - и большая часть Θз превращается при разрядке в Эр. С введённым зарядом Q(U) однозначно связано - в данной НЕ - количество тепла Θ(U); при выходе заряда Q(U) соответствующее ему тепло Θ(U) уходит с ним, преобразуясь в электрическую энергию заряда. Если почему-либо тепла при этом недостаёт, оно отбирается у самого диэлектрика за счёт понижения его свободной энергии. Всё это является физическим смыслом положений Миллора и Черри, введённых в 1951 г: объём и кообъём, энергия и коэнергия сохраняются [3, стр. 111], как сохраняется и заряд. Все эти процессы показаны на рис. 1а, б, в.
 
Рис. 1.

а - кулон-вольтная кривая зарядки НЕ;
б - кулон-вольтная кривая разрядки НЕ;
в - петля гистерезиса в I и II квадранте (подробности - в тексте)
 
Процесс зарядки ЛЕ - изображается прямой пунктирной линией, НЕ - сплошной кулон-вольтной кривой. Половина площади (Θз) - LUkML над кривой UkM - представляет (в определённом масштабе) тепло, выделяющееся из НЕ при изотермической зарядке (нагревающее диэлектрик при адиабатной зарядке), то есть энергию, запасаемую в тепловой форме. Энергия, запасаемая НЕ в электрической форме (область Эз) представляется половиной площади UkMU0∙Uk под кривой UkM. Очевидно, здесь, на рис. 1а, она больше Θз на величину площади Sз (площадь сегмента UkMUk на хорде l). Зарядка начинается с Uk, - напряжения, обеспечивающего преодоление коэрцетивной силы. На рис. 1б изображена кулон-вольтная кривая процесса разрядки. Здесь половина области Θр (площадь NlM∙N) представляет поглощаемое из среды при разрядке тепло (и, - как условие разрядки, - и как превращающееся в электрическую энергию), а половина площади LMNl под кривой (область Эр) энергию, отдаваемую в виде электрической; речь идёт об энергии, определяемой поляризацией, то есть членом (ε - 1). Энергия, представленная половиной площади ON1lU0 - остаётся в диэлектрике после окончания разрядки. Хорошо видно, что здесь Θз > Θр, то есть при разразрядке поглощается тепла меньше, чем выделяется при разрядке. Ясно, что за цикл «зарядка - разрядка» (полупериод) - диэлектрик нагреется. Из рис. 1в следует, что петля (точнее - полупетля) за один полупериод, имеет площадь (между кривыми зарядки и разрядки), равную разности Θз - Θр и однозначно характеризует именно только тепловой итог цикла. По энергии, запасаемой в электрической форме, итог цикла находится как разность: ½ Эз - ½ Эр = ½ (пл. MUkU0M - пл. MNLM, рис. 1в). Видно, что при данном виде кривых: Эз > Эр, а это обусловит появление электрических потерь.

Характерным для петли является то, что энергия в ёмкости при разрядке больше таковой для зарядки при одинаковой разности потенциалов, то есть налицо энергетическая несимметрия, обусловленная способностью диэлектрика к спонтанным процессам поляризации или деполяризации. Аналитически это свойство пока не описано с должной обоснованностью.

Во втором квадранте элемент «энергии»: (-dQ)∙(-U) - то есть диэлектрик выделяет тепло при «деполяризации» внешним источником энергии, а «коэнергия»: (Q)∙(+dU) имеет положительный знак, соответствующий притоку энергии в электрической форме. То же - в третьем квадранте. Имеется в виду изотермический процесс.

Всё вышеизложенное целиком применимо к петлям гистерезиса ферритов и магнитодиэлектриков.

В энергетическом смысле более интересны петли частного цикла, ибо в полном цикле потери энергии неизбежны из-за Uk > 0 и окончания разрядки при Q > 0.

Особенности петель частного цикла в варикондах детально описаны в [1] для режимов импульсного воздействия. Характерным для них является разный вид ветвей зарядки и разрядки: разрядная кривая выпукла по отношению к оси абсцисс, ветвь заряда - вогнута. На рис. 2 показан характерный вид петли гистерезиса частного цикла.
 

Рис. 2. Петля гистерезиса частного цикла (подробности в тексте)

    С учётом вышеизложенного о физической интерпретации областей Θ и Э - без пояснений видно, что в этом случае Эр > Эз на площадь фигуры ½ S (ОРМЗО), то есть этот диэлектрик при разрядке отдаст в цепь больше энергии, чем её было введено при зарядке (1/2 пл. ОЗМU0O). Эта избыточная электрическая энергия возникает за счёт преобразования части тепловой энергии Θз (возникшей из энергии источника при зарядке), именно равной (в масштабе) половине площади веретенообразной фигуры S (ОРМЗО); ей же равна избыточная электрическая энергия.

Чтобы диэлектрик после разрядки возвратился в исходное состояние по диэлектрической проницаемости, он должен поглотить тепла столько, сколько было выделено при зарядке. Но, поскольку часть тепла Θз превратилась в электрическую энергию, недостающее тепло в количестве S будет получено за счёт понижения температуры диэлектрика. Уровень конверсии численно равен отношению площади «веретена» S к площади, представляющей энергию зарядки. Поскольку диэлектрик находится в тепловом контакте с окружающей средой, снижение его температуры обусловит приток тепла от среды. В смысле простоты поддержания режима, при котором будет происходить преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию - особый интерес могут представлять антисегнетоэлектрики с двойной петлёй гистерезиса. Каждую петлю ведь можно порознь рассматривать как петли частных циклов. И именно те, у которых она возникает при более низком напряжении, - и имеют наибольшую площадь. В цепи переменного тока конденсатор с таким антисегнетоэлектриком будет, охлаждаясь, генерировать избыточную электрическую энергию, численно равную (за период) площади одной петли. Имеются в виду конденсаторы из цирконата свинца, ниобата натрия, гафната свинца, дигидрофосфата аммония.

Повторяя циклы «зарядка - разрядка» - по петле частного цикла в обычном НЕ в конечном итоге тоже будем преобразовывать тепло окружающей среды в электрическую энергию.

Таким образом, петля гистерезиса содержит в себе больше информации чем принято считать: она даёт сведения о выделении и поглощении как тепловой, так и электрической энергии и об уровне их взаимоконверсии. В случае варикондов уровень конверсии растёт с понижением температуры, ввиду сильного роста ∂ε/∂E [1]. Поэтому описываемые далее устройства будут более эффективны в работе, ввиду их «самоохлаждения».
............................
 

« назад

Журнал
Энциклопедия Русской мысли. Том 20
Энциклопедия Русской мысли. Том 19
Журнал
Журнал Русской Физической Мысли, 2013, № 1-12
Энциклопедия русской Мысли. Том 18
Энциклопедия русской Мысли. Том 16
Энциклопедия русской Мысли. Том 15
Энциклопедия Русской Мысли. Том 14
Журнал

Энциклопедия Русской Мысли. Том XIII
Морозов В.М. Узнай правду о Вич-Спиде

Журнал
Журнал
Катрен 12. ГМО - ГЕНОФАШИЗМ
Водородное топливо Юрия Краснова
Алиев А.С. Российская астрономия. Часть 2. - 2011г.
Жигалов В.А. Уничтожение торсинных исследований в России
ЭРМ 12: Колесников И.В. Природа глобальных катаклизмов. - 2010 г.
Алиев А.С. Российская астрономия. - 2010 г.
Открытое Заявление Президента Русского Физического Общества Родионова В.Г. Президенту Российской Федерации Медведеву Д.А.
ЭРМ 11: Оше А.И. Поиск единства законов природы (Инварианты в природе и их природа). - 2010 г.
ЭРМ 10: Петракович Г.Н. Биополе без тайн. Сборник научных работ. - 2009 г.
ЭРМ 1: Гриневич Г.С. Праславянская письменность. Результаты дешифровки. Том 1. - 1993 г.
ЭРМ 6: Хачатуров Е.Н. Элиминация значительной части ДНК... - 1995 г.
ЭРМ 3: Иванов Ю.Н., Иванова Н.М. Жизнь по интуиции. - 1994 г.
ЭРМ 4: Гудзь-Марков А.В. Индоевропейская история Евразии. Происхождение славянского мира. - 1994 г.
Два открытия
Официальный доклад Аполлон-11. Лунные карты составлены безграмотно
Ральф Рене. Как NASA показало Америке Луну
НЛО: соседи по Солнцу.16.05.2011
Бутусов. Раджа Солнце. Глория. 9.01.2012
Катрен 18. Технология спаивания
Фильм С. Веретенникова
Энциклопедия русской Мысли. Том 17

Актуальная тема:

Ссылки:

rodionov@rusphysics.ru - ПОЧТОВЫЙ ЯЩИК РЕДАКЦИИ ЖУРНАЛА "ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ"
Главный редактор Родионов В.Г.
Денежные пожертвования направлять в Сбербанк РФ на карточку № 63900240 9014875013

Rambler's Top100