“Salus populi suprema lex est”
Международное общественное объединение

1872 - 2017

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 Русского Физико-Химического Общества, Том № 89, Выпуск № 1 (2017г.)
ЖРФМ, 2016, № 1-12 (ЖРФХО, Т. 88, вып. № 4)
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 88, Выпуск № 3 (2016г.)
Шпеньков Г.П. Динамическая модель элементарных частиц. Видео лекция
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 88, Выпуск № 2 (2016г.)
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 88, Выпуск № 1 (2016г.)
Журнал
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 87, Выпуск № 3 (2015г.)
Журнал Русской Физической Мысли, 2015, № 1-12
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 87, Выпуск № 2 (2015г.)
Журнал Русского Физико-Химического Общества ЖРФХО, Том 87, Выпуск № 1 (2015г.)
Энциклопедия Русской Мысли. Том 24
Энциклопедия Русской Мысли. Том 23
Энциклопедия Русской Мысли. Том 22
Энциклопедия Русской Мысли. Том 21
Армянская секция Русского Физического Общества
Энциклопедия Русской мысли. Том 20
Энциклопедия Русской мысли. Том 19
Энциклопедия русской Мысли. Том 18
Энциклопедия русской Мысли. Том 16
Энциклопедия русской Мысли. Том 15
Энциклопедия Русской Мысли. Том 14
Энциклопедия Русской Мысли. Том XIII
Украинская секция Русского Физического Общества
Санкт-Петербургская секция Русского Физического Общества
Иркутская секция Русского Физического Общества
Новосибирская секция Русского Физического Общества
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

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