Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

43 только в крупноразмерных панелях. Другим существенным недостатком является высокое энергопотребление.
В жидкокристаллических экранах ячейки не являются источниками света и поэтому могут быть существенно меньшего размера. Плоский источник света на основе светодиодов располагается позади матрицы, которая управляет его пропусканием. Делается это следующим образом. Две пластины из стекла или прозрачного пластика имеют покрытие, пропускающее свет лишь определенной поляризации, причем плоскости поляризации двух пластин повернуты относительно друг друга на 90
о
. Это означает, что свет через них не проходит.
Между пластинами располагается слой вещества, называемого жидким кристаллом, молекулы которого имеют винтовую структуру и способны изменять поляризацию проходящего через них света. Слой жидкого кристалла подобран так, что в отсутствие электрического поля экран становится прозрачным, и свет из-за него выходит в сторону зрителя. Под действием напряжения на управляющих электродах молекулы перестраиваются, и прозрачность в этом месте нарушается. После отключения напряжения прозрачность восстанавливается. Описанные процессы иллюстрируются Рис. 37.

44
Рис. 37. Свойства жидких кристаллов
Таким образом, управляя с помощью напряжения поляризацией жидких кристаллов в ячейках матрицы, можно получать высококачественное изображение на экране, в том числе и малого размера.
Что касается недостатков, то их у жидкокристаллических экранов достаточно, но они успешно устраняются в каждой очередной модели.
Светодиодные экраны на основе органических светодиодов сегодня являются самыми прогрессивными. В них применена сложная технология формирования микроскопических светодиодов в многослойных структурах.
Преимущества светодиодных экранов по сравнению с плазменными и жидкокристаллическими весьма значительны.
Кроме снижения массогабаритных показателей и энергопотребления, такие экраны имеют большой угол обзора при сохранении качества изображения. По этой технологии можно создавать и гибкие экраны.

45
Гальванические установки
В современной промышленности применяются производственные процессы, использующие явления, происходящие в электролитических растворах. Для их реализации применяются гальванические установки.
Гальваническая установка представляет собой емкость с электролитом, в которой размещаются источник металла – анод и его получатель – катод.
После подачи постоянного тока металл анода переходит в электролит и в виде иона движется к катоду, где осаждается. Материалы электродов и состав электролита бывают разными. При наиболее распространенном варианте электролиза – меднении – в качестве электролита используются раствор серной кислоты и медного купороса, медный анод, а в качестве катода – любой проводящий материал, чаще всего металл. Кроме меди, на катоде осаждают цинк, серебро и другие металлы.
Можно применять анод из графита или другого неметаллического проводника, если ионы содержатся в электролите. Таким способом производят покрытия некоторыми металлами и решают ряд прикладных производственных задач. Наиболее известные из них – очистка сточных вод, получение химических веществ, противокоррозионная обработка.
Промышленная гальваническая установка представляет собой комплекс оборудования для гальванической обработки, состоящий из емкости с раствором электролита, элементов электроснабжения, анодов, катодов и вентиляционной системы. Внешний вид гальванических ванн представлен на рис. 38.
Рис. 38. Гальванические ванны

46
Современные гальванические ванны могут достигать значительных размеров, что позволяет обрабатывать даже крупные изделия, например кузов легкового автомобиля. Часто несколько ванн объединяют в общую гальваническую линию.
Гальваническая линия, показанная на рис. 39, является конструктивно более сложной установкой. Кроме ванн, гальваническая линия оснащена единым конвейерным механизмом с манипуляторами подачи и погружения заготовок.
Рис. 39. Гальваническая линия
При необходимости обработки большого количества мелких деталей гальванические ванны неудобны, в основном из-за сложного процесса загрузки. Кроме того, затрудняется равномерность контакта раствора с поверхностью деталей.
В таком случае гальваническую обработку осуществляют в установках роторного, или барабанного, типа, в которых обрабатываемые детали находятся внутри перфорированного барабана. Барабан погружен в гальваническую ванну и вращается за счет собственного электропривода. Это обеспечивает равномерный доступ рабочего раствора ко всем обрабатываемым деталям. Вид такой установки представлен на рис. 40.

47
Рис. 40. Гальваническая установка роторного типа
Для того чтобы процесс электролиза проходил с достаточно высокой скоростью, но при этом качество покрытия было высоким, важно выполнить несколько правил.
Во-первых, нужно знать, что максимальная плотность тока для каждого вида покрытия является строго определенной величиной. Например, для меди через квадратный дециметр поверхности катода должен протекать ток не более 0,4 А. Если ток будет меньше, то скорость нарастания металла замедлится, а если больше – поверхность станет зернистой и будет содержать, кроме осаждаемого металла, посторонние включения.
Во-вторых, необходимо количественно оценить объем переносимого металла. Это позволит правильно выбрать анод. Электрохимическим эквивалентом называют количество металла, переносимого при электролизе
1 Кл электричества. Для меди он равен 0,329 мг/Кл.
Зная две вышеназванные величины, можно определить требования к системе электрообеспечения гальванического процесса. После этого можно проектировать систему расположения анодов и катодов, а также элементы вспомогательного оборудования.
При электролизе в промышленном масштабе токи достигают десятков тысяч ампер, а напряжение при этом невелико – от 6 до 24 В. В большинстве случаев в качестве источника тока используют трансформаторы с низковольтной вторичной обмоткой и полупроводниковые выпрямители.

48
Электростатические устройства
Статическое электрическое поле высокой напряженности способно эффективно перемещать заряженные частицы. Это свойство широко применяется как на производстве, так и в быту. Так, например, устроены электростатические фильтры промышленных предприятий. Они очищают воздух от мелкодисперсных частиц, таких, как пыль, сажа, различные аэрозоли. Работа такого фильтра поясняется рис. 41.
Рис. 41. Электростатический фильтр
Пылесборниками служат заземленные пластины, между которыми натянуты проволочные сетки, находящиеся под напряжением в несколько десятков киловольт. Между сетками и пластинами образуется коронный разряд, и возникает ионный ток. Частицы пыли и других загрязнений, проходя через ионизированный воздух, заряжаются и притягиваются к пластинам, где и оседают. Нарастающий на осадительных электродах слой пыли периодически удаляется встряхиванием с помощью специальных механических устройств.
Электростатическое осаждение заряженных частиц применяется также при порошковой покраске. Между окрашиваемым объектом и краскопультом создается высокое напряжение. Ток при этом ограничивается до безопасного значения. Частицы краски на основе полиэфирных смол слабым потоком
Пыль
Грязный воздух
Чистый воздух

49 воздуха направляются на окрашиваемую поверхность и прилипают к ней. На рис. 42 показан процесс нанесения порошковой краски на поверхность детали.
Рис. 42. Нанесение порошковой краски
После этого деталь помещается в печь с температурой около 200 ˚С.
Через несколько минут частицы краски расплавляются и порошок превращается в пластмассовую пленку.
Электростатические явления лежат и в основе работы ионизаторов воздуха, применение которых улучшает его ионный состав. В воздухе всегда содержатся положительные и отрицательные ионы. Было давно замечено, что в экологически благоприятных местах – в лесу, вблизи рек, в горах – количество отрицательных ионов многократно превышает их количество в городском воздухе. В таблице 2 приведены значения концентрации полезных ионов в различных местах.
Таблица 2
Концентрация отрицательных ионов в воздухе
Характеристика места
Количество отрицательных ионов

50 в 1 куб. см
Горы, водопады
3500…10000
Лес за городской чертой
1500…3500
Городская квартира
30…100
Улица в городе
100…500
Офис
30…50
Советским биофизиком Чижевским еще в 30-е годы 20-го века был создан прибор, искусственно повышающий концентрацию отрицательных ионов. За своеобразную форму и способ расположения в помещении этот прибор получил название люстры Чижевского. Она представляет собой объемную конструкцию, чаще всего полусферу, из проводников, к которым припаяны иголки. К люстре подводится отрицательное напряжение 25 кВ и выше. В результате происходит нормализация ионного состава в воздухе жилых и других помещений.
Ионизацию воздуха нередко путают с озонированием. Это не одно и то же, поскольку озон образуется не под влиянием электростатического поля, а в результате электрического разряда в воздухе или чистом кислороде. Озон, будучи трехатомным кислородом, обладает огромной окислительной способностью и эффективно уничтожает бактерии и вирусы. Озонатор является довольно сложным и дорогим устройством, но некоторые кварцевые лампы вырабатывают его в небольшом количестве, обеспечивая комплексную дезинфекцию помещений. На рис. 43 показан внешний вид типового озонатора.

51
Рис. 43. Озонатор воздуха
1.5. Сверхпроводники – основа перспективной электротехники
Как известно, проводимость материалов зависит от температуры. За небольшим исключением, при охлаждении металлических и неметаллических проводников их сопротивление плавно уменьшается, но этот эффект выражен слабо и существенной роли в передаче электроэнергии не играет. Качественно другая картина имеет место в сверхпроводниках.
Некоторые вещества, причем не обязательно металлы, при охлаждении ниже порогового уровня резко и полностью теряют сопротивление. Это сопровождается интересными физическими явлениями, например парением сверхпроводника над постоянным магнитом. Ни у кого не вызывает сомнения, что сверхпроводниковые технологии открывают огромные перспективы в электротехнике, прежде всего в области линий электропередачи и электрических машин.
Первые успешные опыты в области сверхпроводимости были проведены при охлаждении проводников жидким гелием, при температуре, лишь на 3–4 градуса превышающей абсолютный ноль, то есть около –270 ˚С.
Это подтвердило теорию, но еще не создало предпосылок к практической реализации, так как получение жидкого гелия обходится слишком дорого.
Исследование различных составов сверхпроводящих материалов вскоре

52 позволило поднять критическую температуру до –230 ˚С, что тоже было недостаточным для практической реализации.
Применение купратов – керамик с высоким содержанием меди – привело к первому прорыву в области сверхпроводящих технологий. Эти материалы приобретают нулевое сопротивление при температуре выше точки кипения жидкого азота –196 ˚С, получение которого обходится примерно в 50 раз дешевле, чем жидкого гелия, и хорошо освоено промышленностью.
Вскоре было замечено, что замена атомов сверхпроводниковых материалов изотопами влияет на их критическую температуру. Развитие этой идеи позволило получить сверхпроводники при температуре –110 ˚С, и поиски в этом направлении продолжаются.
Бурный всплеск научной мысли в области сверхпроводимости наблюдался в 2010 году, когда американскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом был получен графен – углерод, в котором атомы располагались на плоскости, а не в объеме. Считается, что одним из замечательных свойств этого материала может быть эффект сверхпроводимости при относительно высоких температурах. Однако для этого требуется идеальный графен, а то, что реально удается получить, по меткому выражению одного из специалистов в этой сфере, напоминает расплющенную колбасу.
Очередная новость, воспринятая как сенсация в области высокотемпературных сверхпроводников, родилась в 2013 году в институте
Макса Планка в Германии. Михаил Еремец и его коллеги утверждают, что эффект сверхпроводимости достигается при температуре значительно выше любого прежнего достижения: при –70 ˚С. Интересно, что в качестве исходного материала был использован сероводород. Результат мог бы считаться интересным, если бы не одно условие – сероводород должен быть сжат под давлением около полутора миллионов атмосфер.

53
Ученые вышеупомянутого института совместно с американскими коллегами из Оксфордского университета все-таки сделали научный прорыв в физике сверхпроводников. Исходным материалом стал кристалл оксида иттрия-бария-меди, имеющий многослойную структуру и способный проявлять свойство сверхпроводимости. Сохранение этого свойства при комнатной температуре было достигнуто при облучении сверхмощным лазером инфракрасного диапазона.
К сожалению, практическое использование данного метода упирается в технологические трудности.
Практическое внедрение в нашу жизнь сверхпроводящих устройств зависит от технических, эксплуатационных и коммерческих характеристик сверхпроводящих проводов и кабелей. Без таких кабелей нет смысла рассуждать об электрических машинах с КПД больше 99 %, сверхмощных магнитах и многих других устройствах, которые невозможно или крайне проблематично построить без сверхпроводящих технологий.
Для изготовления сверхпроводящего кабеля требуется разместить сверхпроводящий материал в оболочке с жидким азотом или другим хладагентом. При этом необходимо обеспечить эффективную теплоизоляцию и постоянное пополнение испарившегося газа. Наиболее удобной с практической точки зрения считается коаксиальная конструкция, показанная на рис. 44.
Внешняя защитная оболочка