Косвенное преобразование электрической энергии в тепловую
Прямое преобразование связано с большими расходами электрической энергии на тепловые процессы: невозможно получить на 1 кВт∙час затраченной электроэнергии более 3600 кДж теплоты.
Косвенное преобразование основано на переносе тепловой энергии за счет электрической энергии. Эта технология широко применяется в холодильной технике и использует тепловые насосы и теплообменные системы.
Наиболее распространены компрессионные (термомеханические) и полупроводниковые (термоэлектрические) тепловые насосы, которые переносят теплоту от холодной среды к более горячей.
Наиболее совершенны и перспективны термоэлектрические тепловые насосы, в которых промежуточным энергоносителем служит электрический ток. В основе метода лежат эффекты, наблюдаемые в цепи термоэлемента, составленного из двух спаянных по концам разнородных проводников. Если спаи поместить в среды с разными температурами, то появится разность потенциалов. Это явление носит название эффекта Зеебека, а возникающая на концах термоэлемента разность потенциалов - термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Эффект Зеебека используют в измерительной технике (термопары и др.) и в термоэлектрических генераторах. ТермоЭДС зависит от свойств материалов, ветвей термоэлементов и разности температур спаев. В простейшем случае её определяют по выражению:
(2.22)
|
|
|
где: α1 , α2 - коэффициенты термоЭДС ветвей термоэлементов, В/К; Т1, Т2 – температуры спаев, К.
Значение и знак коэффициентов термоЭДС зависят от природы ветвей термоэлемента, например для никеля α = -20,8∙10-6 В/оК, железа α = +11,6∙10-6 В/оК и т.д. Если в цепь термоэлемента включить источник ЭДС и пропускать по ней постоянный электрический ток, то один спай будет охлаждаться и поглощать теплоту ФП, а другой нагреваться и выделять её. Это явление носит название эффекта Пельтье.
Количество теплоты Пельтье QП , выделяемое или поглощаемое в спае за время τ при силе тока I:
(2.23)
где: 
- коэффициент Пельтье, В, Т- температура спая, К
3.2. Преобразование электрической энергии в механическую основано на использовании механических сил, испытываемых телами в электромагнитном поле. Иногда их называют электродинамическими, или пондеромоторными силами. Механическая работа в электромагнитном поле может совершаться лишь при перемещении или изменении размеров тела.
В электрическом и магнитном полях разные по свойствам тела испытывают разные по характеру механические воздействия. Электрическое поле оказывает механические воздействия на заряженные и незаряженные диэлектрики, магнитное поле - на проводники стоком и без него. Однако все виды механических сил в электромагнитном поле имеют одну физическую основу - являются результатом взаимодействия полей с электрическими зарядами, входящими в состав тел: свободными или индуцированными полями.
|
|
|
Плотность механических сил для квазистационарных электрического fэ и магнитного fмполей определяется выражениями:
2.24)
, (2.25)
где 
- плотность свободных зарядов в диэлектрике; 
и 
- плотность вещества диэлектриков и проводников.
Первая составляющая правой части равенства представляет собой объемную механическую силу, испытываемую в электрическом поле свободными зарядами диэлектриков. Вторая и третья составляющие правой части выражения представляют собой силы, действующие на диэлектрики при их поляризации.
Под действием этих сил некоторые виды диэлектриков (кварц, титанат бария и др.) деформируются в электрическом поле. Это явление, известное как электрострикция, или обратный пьезоэлектрический эффект, широко используется для преобразования электрической энергии в энергию механических ультразвуковых колебаний.
|
|
|
Первая составляющая сил fм представляет собой механическую силу, действующую на проводник с током в магнитном поле. Её нетрудно представить известной формулой для силы, действующей на элемент проводника dl с током I,
которая лежит в основе электромеханического способа преобразования энергии в электродвигателях и других преобразователях.
(2.26)
Взаимодействие магнитного поля с молекулярными токами магнетиков создает в телах объемные механические силы двух видов:
- силу, пропорциональную величине Н2 (вторая составляющая fм), под действием которой в неоднородных магнитных полях магнетики втягиваются или выталкиваются в область наибольшей напряженности поля. На этом основано, например, действие электромагнитов;
- силу пропорциональную grad H2, под действием которой некоторые виды металлов и сплавов (железо, никель, пермаллой и др.) деформируются в магнитном поле. Это явление известно как магнитострикция, которую, как и электрострикцию, широко используют в ультразвуковой технике.
3.3. Преобразование электрической энергии в химическую основано на явлении электролиза, которое состоит в том, что электрический ток способен выделять из электролитов, помещенных между электродами, частицы вещества, осаждать на электродах и интенсифицировать из взаимодействие.
|
|
|
На отрицательном электроде всегда выделяются атомы металлов и водорода (катодное восстановление), на положительном электроде – остаток химического соединения (анодное окисление). На границе электролит – электрод между ионами и электродами происходит обмен электронами и энергией.
Количество вещества g, выделившееся на электроде при прохождении электрического тока через раствор электролита, определяется законом Фарадея:
g = a·I·τ, (2.27)
где а - электрохимический эквивалент, г/Кл; I - ток, А; τ - время прохождения тока.
С увеличением температуры проводимость электролитов растет, что объясняется увеличением подвижности и возрастанием степени диссоциации.
3.4. Воздействие ЭМП на биологические объекты имеет неизмеримо более глубокое и сложное влияние, чем на «неживые» тела, ибо затрагивают в первую очередь жизненные функции организма. Это имеет большое практическое значение для сельскохозяйственного производства, где основные предметы труда так или иначе связаны с биологическими объектами.
Взаимодействие внешнего электромагнитного поля с живыми объектами происходит на уровне клеточных мембран, которые являются первичными структурами ткани и наиболее чувствительными приемниками энергии поля.
Каждая клетка представляет собой микроэлектрохимическую систему с мембранами – электродами и электролитом - внутриклеточной жидкостью. Протекание внешнего тока сопровождается электролизом. В системе происходит концентрационная поляризация свободных зарядов - накопление разноименных ионов на противоположных сторонах мембраны, ориентационная и активационная поляризация связанных зарядов вещества мембраны.
Биологическое действие электрического поля (тока) зависит от его параметров: напряженности Е поля, амплитудного значения плотности тока J, частоты ω , формы тока Ф, времени воздействия τ , причем эффект Э является сложной функцией перечисленных факторов:
(2.28)
Для каждого объекта требуются индивидуальные параметры тока (поля) и режимы воздействия.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 125; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!