Как нагреть металл электричеством


НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ ТОКОМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Чтоб нагреть до красна или даже расплавить небольшой металлический предмет в домашних условиях, совсем не обязательно раскочегаривать печку и переводить топливо - современные технологии позволяют для этого задействовать токи высокой частоты (ТВЧ). И простейшей (и самый распространённой) схемой индукционного нагревателя металлов будет мультивибратор на полевых транзисторах. По крайней мере эти модули с китайских сайтов собирают как раз по такой схеме. Далее смотрите 2 модели, отличающиеся мощностью и, конечно, ценой.

Индукционный нагреватель на 50 ватт

   

ZVS50 - модуль индукционного нагрева начального уровня, питание модуля допустимо даже от батарей с напряжением до 12 вольт, то есть как от автономного питания, так и от сетевого БП. Цена на www.banggood.com примерно $8.

  • Входное напряжение: 5-12 В
  • Размеры платы: 5,5 х 4 х 2 см
  • Размер катушки: длина 2.8, диаметр 2 см

Индукционный нагреватель на 1000 ватт

ZVS1000 - модуль индукционного нагрева металлов токами высокой частоты, с мощностью до 1000w. Средняя цена $35.

Данный блок индукционного нагрева использует источник питания постоянного тока 12-48 В, максимальный ток 20 А, максимальная мощность 1000 Ватт. Может быть использован для обработки мелких деталей: закалка, отжиг и другая термической обработка. Также может быть использован с тиглем, чтоб плавить золото, серебро, медь, алюминий и другие металлы. Быстрый и равномерный нагрев, что очень удобно для ювелиров.

  • Внутренний диаметр катушки: 40 мм
  • Высота катушки: 50 мм
  • При 48 В без нагрузки ток 5 А

Чем выше напряжение, тем больше ток нагрева, а значит и мощность передаваемая в металл.  Катушка может принять внутрь 40 мм тигель. Использовать устройство надо с блоками питания соответствующей мощности и поставить на радиатор кулер охлаждения.

Размер объекта, что нагревается внутри индукционной катушки не может превышать 1/4 объема, иначе может произойти перегрузка и сгорание схемы. Хотя эта схема может временно выдержать 30 А - для долгосрочной работы ток не должен превышать 20 А для безопасной работы.

Таким образом, даже заводские индукционные нагреватели используют простую схемотехнику - 2 мощных полевых транзистора, пару резисторов и набор высоковольтных конденсаторов, что позволяет при желании собрать такое устройство своими руками.

   Форум

   Обсудить статью НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ ТОКОМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Почему металлы так хорошо проводят тепло и электричество?

Структура металлов

Структуры чистых металлов описать просто, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные совершенные сферы. Более конкретно, металлическая структура состоит из «выровненных положительных ионов» (катионов) в «море» делокализованных электронов. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться по структуре и обуславливают такие свойства, как проводимость.

Какие бывают виды облигаций?

Ковалентные облигации

Ковалентная связь - это связь, которая образуется, когда два атома разделяют электроны. Примерами соединений с ковалентными связями являются вода, сахар и диоксид углерода.

Ионные связи

Ионная связь - это полный перенос валентных электронов между металлом и неметаллом. В результате возникают два противоположно заряженных иона, которые притягиваются друг к другу.В ионных связях металл теряет электроны, чтобы стать положительно заряженным катионом, тогда как неметалл принимает эти электроны, чтобы стать отрицательно заряженным анионом. Примером ионной связи может быть соль (NaCl).

Металлические облигации

Металлическая связь - это результат электростатической силы притяжения, которая возникает между электронами проводимости (в форме электронного облака делокализованных электронов) и положительно заряженными ионами металлов.Это можно описать как распределение свободных электронов между решеткой положительно заряженных ионов (катионов). Металлическое соединение определяет многие физические свойства металлов, такие как прочность, пластичность, термическое и электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск.

Делокализованные движущиеся электроны в металлах -

Это свободное движение электронов в металлах, которое придает им проводимость.

Электропроводность

Металлы содержат свободно движущиеся делокализованные электроны.Когда прикладывается электрическое напряжение, электрическое поле внутри металла вызывает движение электронов, заставляя их перемещаться от одного конца проводника к другому. Электроны будут двигаться в положительную сторону.

Электроны текут к положительному выводу

Теплопроводность

Металл хорошо проводит тепло.Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии. Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

Почему металлы так хорошо проводят тепло?

Электроны в металле - это делокализованные электроны и свободно движущиеся электроны, поэтому, когда они набирают энергию (тепло), они вибрируют быстрее и могут перемещаться, это означает, что они могут быстрее передавать энергию.

Какие металлы проводят лучше всего?

Вверху: Электронные оболочки Золото (au), Серебро (Ag), Медь (Cu) и Цинк (Zn). По логике можно было бы подумать, что Золото - лучший проводник, имеющий единственный s-орбитальный электрон в последней оболочке (диаграмма выше)... так почему серебро и медь на самом деле лучше (см. таблицу ниже).

Электропроводность металлов

> С / м

Серебро 6,30 × 10 7
Медь 5,96 × 10 7
Золото 4.10 × 10 7
Алюминий 3,50 × 10 7
цинк 1,69 × 10 7

Серебро имеет больший атомный радиус (160 мкм), чем золото (135 мкм), несмотря на то, что в золоте больше электронов, чем в серебре! Причину этого см. В комментарии ниже.

Примечание: Серебро является лучшим проводником, чем золото, но золото более желательно, потому что оно не подвержено коррозии.(Медь является наиболее распространенной, потому что она наиболее экономична) Ответ немного сложен, и мы размещаем здесь один из лучших ответов, которые мы видели для тех, кто знаком с материалом.

"Серебро находится в середине переходных металлов примерно на 1/2 пути между благородными газами и щелочными металлами. В столбце 11 периодической таблицы все эти элементы (медь, серебро и золото) имеют единичный s -орбитальный электрон электрон внешней оболочки (платина также, в столбце 10).


Орбитальная структура электронов этих элементов не имеет особого сродства приобретать или терять электрон по отношению к более тяжелым или легким благородным газам, потому что они находятся на полпути между ними. В общем, это означает, что не требуется много энергии, чтобы временно сбить электрон или добавить его. Удельное сродство к электрону и потенциалы ионизации варьируются, и в отношении проводимости наличие относительно низких энергий для этих двух критериев в некоторой степени важно.

Если бы это были единственные критерии, золото было бы лучшим проводником, чем серебро, но у золота есть дополнительные 14 f-орбитальных электронов под 10 d-орбитальными электронами и единственным s-орбитальным электроном. 14 f-электронов связаны с дополнительными атомами в ряду актинидов. С 14 дополнительными электронами, которые, по-видимому, выталкивают d- и s-электроны, можно подумать, что s-электрон просто «созрел» для проводимости (почти не требовалось энергии, чтобы оттолкнуть его), но НЕТ. Электроны на f-орбите упакованы таким образом, что это приводит к тому, что атомный радиус золота на самом деле МЕНЬШЕ, чем атомный радиус серебра - не намного, но он меньше. Меньший радиус означает большую силу со стороны ядра на внешние электроны, поэтому серебро побеждает в «соревновании» проводимости. Помните, сила электрического заряда обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем ближе 2 заряда вместе, тем выше сила между ними.

И медь, и платина имеют еще меньший диаметр; следовательно, большее притяжение от ядра, следовательно, больше энергии, чтобы сбить этот одинокий s-электрон, следовательно, меньшая проводимость.

Другие элементы с единственным s-орбитальным электроном, находящимся там, «созревшим для того, чтобы появился сборщик проводимости», также имеют меньшие атомные радиусы (молибден, ниобий, хром, рутений, родий), чем серебро.

Итак, именно то место, где оно находится - то место, где «мать-природа» поместила серебро в периодической таблице, что определяет его превосходную проводимость ».

Источник из фунтов101 Yahoo

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ -

Структура и физические свойства металлов

Почему одни металлы проводят тепло лучше, чем другие?

Как передается тепло?

Теплопроводность металлов

.

Самый дешевый способ обогреть дом электричеством

Стоимость энергии в США продолжает расти ежегодно, в результате чего отопление и охлаждение становятся все более дорогими. Поэтому неудивительно, что люди хотят знать, как сэкономить деньги и, возможно, конкретнее, какой метод является самым дешевым способом обогреть дом электричеством?

По данным Министерства энергетики США, на отопление и охлаждение в среднем приходится колоссальные 48% энергопотребления, что делает их самыми большими расходами на электроэнергию.

Электроэнергия в качестве основного источника энергии для отопления домов остается популярной в США, и, по оценкам, 36% домохозяйств используют ее в качестве основного источника топлива для отопления.

В этом руководстве мы исследуем, когда электрическое отопление имеет финансовый смысл, и, сравнивая некоторые из самых популярных доступных систем электрического отопления, мы определим, какой именно метод является самым дешевым способом обогрева дома с помощью электричества.

Сравнение типов отопительных систем

Независимо от того, какой тип отопительной системы вы используете, определенно стоит знать о ценах на некоторые из самых популярных сегодня источников тепловой энергии в США.

Системы природного газа

Природный газ, то есть топливо, используемое в газовых каминных топках, является одной из самых популярных систем отопления для домов в Соединенных Штатах и ​​включает обычные системы отопления, такие как печи на природном газе. В зависимости от вашего местоположения и эффективности вашего устройства вы потенциально можете сократить свои счета за электроэнергию вдвое по сравнению с другими источниками энергии, например те, которые питаются от электричества.

Не только это, но и тепло, производимое газовыми системами, потенциально может обеспечивать температуру на 25 градусов выше, чем в системах электрического отопления.

По сравнению с электричеством, газ также получает награду за экологичность, поскольку для производства электроэнергии требуется большее количество энергии. Газ также производит гораздо меньше парниковых газов, чем любое другое ископаемое топливо, включая уголь, нефть и даже древесину.

В конечном счете, природный газ - это надежное и эффективное топливо, которое является предпочтительным вариантом для государств с более холодным климатом. Основные недостатки природного газа включают тот факт, что это ограниченный источник топлива, который производит загрязняющие вещества в виде парниковых газов.Наконец, установка газопроводов и инфраструктуры - дорогостоящая задача.

Нагревание пропаном

Пропан - еще один распространенный вид топлива, который часто используется для обогрева домов. Подобно природному газу, он также является ископаемым топливом и поэтому является ограниченным ресурсом.

В зависимости от того, какой конкретно пропановый обогреватель используется, пропан как источник энергии может быть эффективным способом обогрева дома. Фактически, пропан производит больше британских тепловых единиц, чем отопление на природном газе.

Еще одно важное преимущество пропана заключается в том, что он является более экологически чистым по сравнению с другими видами энергии. Например, при сжигании пропана образуется на 24% меньше углекислого газа, чем при сжигании нефти.

Пропановые баки, используемые в обычных пропановых нагревателях, также идеально подходят для длительного хранения, так как они имеют длительный срок хранения, поэтому многие часто рассматривают пропан как жизнеспособный резервный вариант.

Как мы обсуждали в нашей публикации «Плюсы и минусы пропанового тепла», недостатком пропана является то, что цены на пропан могут сильно различаться в зависимости от местоположения и в среднем по-прежнему остаются более дорогим вариантом.Кроме того, хранение баллонов с пропаном под высоким давлением считается далеко не идеальным, поскольку они представляют собой потенциальный риск в случае утечки или взрыва.

Системы подогрева нефти

Для обогрева используются различные масла, все из которых являются производными сырой нефти. Основным преимуществом систем масляного отопления является то, что они предлагают более высокие БТЕ, чем такие альтернативы, как природный газ.

Недостатки масляного обогрева в том, что производственный процесс наносит вред окружающей среде.Часто нефть добывается в открытом море, что является дурной причиной разливов нефти, которые часто приводят к катастрофическому ущербу для окружающей среды. Как правило, нефть - тоже не самое дешевое топливо, поскольку в среднем природный газ является более дешевым вариантом для многих.

Не только масло, как правило, дороже, но и работа системы подогрева масла, такой как масляная печь, требует от вас хранения масла в резервуаре и эффективного управления пополнением запасов. Масляные печи также часто требуют обслуживания чаще, чем другие системы, поскольку они имеют тенденцию производить больше отходов, хотя масляные нагреватели обычно требуют меньшего обслуживания.

Электроэнергия

В США до 36% домов используют электричество для обогрева домов. В целом электрическое отопление, такое как электрические камины, дороже, чем более популярный природный газ, и для достижения максимальной тепловой мощности требуется больше времени.

Тем не менее, электрические системы отопления имеют ряд преимуществ, которые делают их привлекательным выбором для многих. К ним относятся низкие первоначальные затраты на отопительные системы, как правило, из-за доступности и минимальных требований к установке.

Кроме того, электрическое отопление, как правило, намного проще поддерживать, чем альтернативные варианты, и при этом необходимая установка менее разрушительна, как это часто бывает с газовыми печами, которые требуют установки внешней вентиляции и газовых линий.

Когда имеет смысл электрическое нагревание?

Ваш климат является основным решающим фактором при принятии решения о том, является ли электричество лучшим вариантом обогрева, и это часто имеет смысл в теплом и мягком климате, где газовые печи, требующие большого технического обслуживания, могут быть не рентабельными.Например, электрические тепловые насосы - популярный выбор в более теплых странах, где нет спроса на продолжительное отопление.

Однако в холодном климате правда заключается в том, что использование электричества для обогрева домов, как правило, дороже, чем другие варианты, такие как природный газ. Для этого есть две основные причины. Во-первых, отопление с использованием природного газа требует меньше времени для достижения максимальной тепловой мощности, а природный газ, как правило, дешевле.

Хотя, безусловно, стоит отметить, что достижения в области отопительных технологий сделали такие устройства, как электрические тепловые насосы, намного более эффективными и более дешевыми в эксплуатации, чем это было раньше.

Стоимость электрического отопления

Как вы, наверное, знаете, стоимость энергии увеличивается ежегодно, и этот год не стал исключением. Официальный веб-сайт штата Массачусетс оценивает ежегодный прирост энергии и сравнивает цены на различные виды топлива, которые могут оказаться полезными.

Таблица 1: Стоимость отопления домов с использованием равного количества энергии и% увеличения

Топливо для отопления 2017 2018 Изменение
Естественное Газ 1,280 $ 1,569 $ 7.2%
Мазут 1 949 долл. США 2278 долл. США 10,2%
Пропан 3 331 долл. США 3744 долл. США 6,0%
долл. США 9002

долл. США 11,1%

Хотя это не относится ко всей стране, это действительно регион, где потребители будут нуждаться в значительном количестве тепла в зимние месяцы.Как показано, каждое среднее значение за год выросло по сравнению с предыдущим годом, но электрическое отопление по-прежнему остается одним из самых дорогих для обогрева вашего дома.

Большинство людей хотят знать, что дешевле: газовое или электрическое тепло? Как видите, в среднем газ значительно дешевле.

Плюсы и минусы систем электрического отопления

Существует много различных типов систем отопления, и когда дело доходит до электричества, варианты особенно разнообразны.При этом у любой формы домашнего отопления есть как плюсы, так и минусы. Ниже приведены некоторые из возможных вариантов:

Электрические обогреватели

Плюсы: Этот тип обогревателя очень легко получить и не требует профессиональной установки. Они бывают разных размеров, и для их подключения требуется просто розетка.

Обогреватели - фантастический способ сэкономить деньги при правильном использовании. Они, конечно, не предназначены для отопления всего дома, а предназначены для эффективного зонального отопления.Ознакомьтесь с нашим руководством по лучшим обогревателям для обогрева больших помещений, если вам нужно что-то с немного большей мощностью.

Это означает, что они отлично подходят для обогрева комнаты, в которой вы в настоящее время проживаете, и вы можете перемещать их из комнаты в комнату благодаря их небольшому, легкому и портативному дизайну. Это обычно более рентабельно, чем запуск всей системы HVAC.

Минусы: Поскольку они должны быть подключены к стене, они могут обогревать только ограниченные области дома i.е. те, у кого есть доступ к ближайшей розетке.

Кроме того, это не тот вариант, который вам следует выбирать, если вы ищете одно устройство для обогрева всего дома. Он также не подходит в качестве основного источника тепла в холодном климате, но, безусловно, подходит в сочетании с другими формами отопления.

Многие люди предпочитают выключать термостат своей основной системы HVAC и использовать обогреватель в дополнение к комнате, в которой они проводят большую часть своего времени.

Еще нужно учитывать то, что внешняя поверхность обогревателя может стать очень горячий на ощупь, поэтому он может быть опасен для ожога, и его следует хранить вдали от легковоспламеняющихся предметов.

Электрические тепловые насосы

Плюсы: Тепловые насосы могут быть чрезвычайно эффективными и использовать охлаждение для передачи тепла из более холодного места в более горячее. По этой причине они, как правило, намного более эффективны, чем печи на природном газе, поскольку вместо выработки тепла путем сжигания они просто переносят тепло из одного места в другое.

Это качество также означает, что тепловые насосы могут обеспечивать как охлаждение, так и обогрев.Тепловые насосы также обеспечивают бесшумную работу и считаются экологически чистым вариантом, поскольку не вызывают прямого загрязнения воздуха.

Минусы: Тепловые насосы не подходят для более холодного климата и чаще всего используются в юго-восточных штатах. Это связано с тем, что тепловые насосы теряют свою эффективность при понижении температуры, а это означает, что они больше не могут передавать тепло, поскольку его мало.

Это означает, что им придется полагаться на вторичный источник тепла, который обычно дорог в эксплуатации и не подходит для более холодного климата.

В зависимости от вашей собственности установка может оказаться сложной задачей, поэтому зачастую ее должен выполнять профессионал. Однако также доступны бесканальные агрегаты, которые проще установить. Вам потребуется установить как внешний, так и внутренний блок.

Электропечи

Плюсы: Электропечи - одна из наиболее распространенных форм электрического обогрева, используемых в США. Обычно они контролируются термостатом на стене, и, как и газовые печи, они обычно не видны (электрическая печь обычно скрыта в подвале).

Есть несколько преимуществ электрических печей, например, они намного безопаснее газовых печей, не требуют проверок газовой безопасности или детекторов окиси углерода. Как правило, они не требуют такого большого обслуживания, а первоначальные затраты и установка, как правило, намного дешевле.

С точки зрения срока службы электрические печи также превосходят газовые печи, часто в два раза дольше, чем газовые системы, которые подвержены гораздо большему износу в результате процесса сгорания.

Минусы: Электрические печи обычно не подходят для использования в более холодном климате, поскольку электричество дороже природного газа. Электрические печи также менее эффективны, чем их газовые конкуренты, поскольку металлические элементы требуют много времени и энергии для достижения максимальной тепловой мощности. Это означает, что они часто не могут сохранить тепло в доме в более холодном климате.

Электрический подогрев плинтуса

Плюсы: Эти устройства относительно дешевы, просты в установке и не занимают много места.Они бывают разных размеров и стилей, предлагая вам большое разнообразие.

Электрический нагреватель сопротивлением, также называемый электрическим нагревом плинтуса, лучше всего подходит для сухого теплого климата. Часто та же технология используется и в настенных электрических обогревателях.

Благодаря своей невысокой стоимости они идеально подходят для ситуаций, когда отдельная комната или реконструкция требует немного больше тепла, но установка более дорогой системы не может быть финансово оправдана.

Минусы: Плинтус обогреватели остаются одним из самых дорогостоящих методов отопления дома.Их конструкция также очень неэффективна, поскольку многие устройства предназначены для установки под окнами или на внешней стене дома. Эти две ключевые области плохо изолированы и, естественно, требуют больше тепла (и, следовательно, энергии), чтобы стать теплее.

Как и у всех электронагревателей, здесь есть внешний компонент, который может сильно нагреваться. По этой причине вы должны держать домашних животных и маленьких детей на безопасном расстоянии, чтобы обеспечить их безопасность.

Какая система электрического отопления самая лучшая?

Как обсуждалось ранее, в целом электрическое отопление - плохой выбор из-за эффективности большинства систем электрического отопления и высокой стоимости электроэнергии по всей стране.

Вместе с тем, иногда отопление дома электричеством может иметь финансовый смысл. Например, если вы живете в теплом климате, где потребности в отоплении будут относительно низкими, эффективный электрический тепловой насос, безусловно, будет хорошим вариантом. Они относительно доступны по цене, просты в обслуживании и энергоэффективны.

Электрический обогреватель, такой как галогенный обогреватель, также может быть подходящим, как и инфракрасные обогреватели и микатермические обогреватели в некоторых случаях, например, для зонального обогрева.Здесь вы отапливаете одну зону вашего дома, а не всю собственность, например комната, которую вы сейчас используете.

У вас также есть возможность установить термостат в основной системе отопления на низкий уровень и дополнить отопление подобными обогревателям. Люди также находят их полезными, если в доме где-то в доме есть холодное пятно, которое, казалось бы, недоступно.

Для штатов, расположенных на севере и северо-востоке, было бы разумно рассмотреть всеобъемлющий вариант, такой как печь на природном газе.Хотя их установка и обслуживание обходятся дороже, вам понадобится что-то надежное, эффективное и экономичное, чтобы обслуживать вас все зимние месяцы.

Окончательное решение

В конечном счете, лучшая система отопления для вашего дома в долгосрочной перспективе не всегда является самой дешевой системой, которую нужно купить и установить заранее. Вам нужно будет учитывать важные факторы, включая местный климат, годовое потребление тепла, бюджет и размер вашей собственности.

Если вы живете в более холодном климате, например на северо-востоке, то нет никаких сомнений в том, что самый дешевый способ обогреть весь дом в зимние месяцы - не электричеством. Лучшим вариантом является печь на природном газе, которая обеспечивает максимальный КПД и самые низкие счета по сравнению с другими видами топлива.

Однако, если вы живете на юго-востоке или в теплом и сухом климате, не имеет большого финансового смысла тратить время на покупку и установку новой газовой системы, которую вы будете редко использовать.Вместо этого эффективная система электрического теплового насоса обеспечит круглогодичное охлаждение и обогрев за небольшую часть стоимости.

.

По этому металлу течет электричество, а не тепло

Нанопучки диоксида ванадия (VO2), синтезированные исследователями из Беркли, демонстрируют экзотические электрические и термические свойства. На этом изображении, полученном с помощью сканирующей электронной микроскопии в условных цветах, теплопроводность была измерена путем передачи тепла от подвешенной площадки источника тепла (красный) к сенсорной площадке (синий). Подушечки перекрываются нанопучком VO2. Предоставлено: Цзюньцяо Ву / Лаборатория Беркли.

Среди материалов есть известный нарушитель правил, а новое открытие международной группы ученых добавляет дополнительные доказательства в поддержку нонконформистской репутации металла.Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (лаборатория Беркли) и Калифорнийского университета в Беркли, электроны в диоксиде ванадия могут проводить электричество, не проводя тепла.

Результаты, которые будут опубликованы в выпуске журнала Science от 27 января, могут привести к широкому спектру приложений, таких как термоэлектрические системы, которые преобразуют отработанное тепло двигателей и приборов в электричество.

Для большинства металлов соотношение между электрической и теплопроводностью регулируется законом Видемана-Франца. Проще говоря, закон гласит, что хорошие проводники электричества также являются хорошими проводниками тепла. Это не относится к металлическому диоксиду ванадия, материалу, уже известному своей необычной способностью переключаться с изолятора на металл, когда он достигает 67 градусов по Цельсию или 152 градусов по Фаренгейту.

«Это было совершенно неожиданное открытие», - сказал главный исследователь исследования Цзюньцяо Ву, физик из отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.«Это показывает резкое нарушение закона из учебников, который, как известно, надежен для обычных проводников. Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного электронного поведения новых проводников».

В процессе изучения свойств диоксида ванадия Ву и его исследовательская группа работали в партнерстве с Оливье Делером из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики и доцентом Университета Дьюка. Используя результаты моделирования и экспериментов по рассеянию рентгеновских лучей, исследователи смогли определить долю теплопроводности, обусловленную колебаниями кристаллической решетки материала, называемыми фононами, и движением электронов.

К своему удивлению, они обнаружили, что теплопроводность, приписываемая электронам, в десять раз меньше, чем можно было бы ожидать из закона Видемана-Франца.

Ученые из лаборатории Беркли Цзюньцяо Ву, Фань Ян и Чанхён Ко (слева направо) работают над прибором для электронной спектроскопии нано-оже в Molecular Foundry, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики. Они использовали прибор для определения количества вольфрама в нанопучках диоксида вольфрама и ванадия (WVO2).Предоставлено: Мэрилин Чанг / Лаборатория Беркли.

«Электроны двигались в унисон друг с другом, как жидкость, а не как отдельные частицы, как в обычных металлах», - сказал Ву. «Для электронов тепло - это случайное движение. Нормальные металлы эффективно переносят тепло, потому что существует так много различных возможных микроскопических конфигураций, между которыми могут прыгать отдельные электроны. Напротив, скоординированное движение электронов в виде маршевой полосы в диоксиде ванадия является вредно для теплопередачи, поскольку существует меньше конфигураций, доступных электронам для беспорядочного переключения между ними.«

Примечательно, что количество электричества и тепла, которое может проводить диоксид ванадия, можно регулировать, смешивая его с другими материалами. Когда исследователи легировали образцы монокристаллического диоксида ванадия металлическим вольфрамом, они снизили температуру фазового перехода, при которой диоксид ванадия становится металлическим.В то же время электроны в металлической фазе стали лучше проводить теплопроводность. Это позволило исследователям контролировать количество тепла, которое диоксид ванадия может рассеивать, переключая его фазу с изолятора на металл и наоборот, при настраиваемых температурах.

Такие материалы можно использовать для отвода или отвода тепла в двигателях или превратить в оконное покрытие, повышающее эффективность использования энергии в зданиях, говорят исследователи.

«Этот материал можно использовать для стабилизации температуры», - сказал со-ведущий автор исследования Фань Янг, научный сотрудник Molecular Foundry лаборатории Беркли, лаборатории Министерства энергетики США, где проводились некоторые исследования.«Регулируя свою теплопроводность, материал может эффективно и автоматически рассеивать тепло жарким летом, потому что он будет иметь высокую теплопроводность, но предотвращает потери тепла холодной зимой из-за своей низкой теплопроводности при более низких температурах».

Диоксид ванадия обладает дополнительным преимуществом: он прозрачен при температуре ниже 30 градусов по Цельсию (86 градусов по Фаренгейту) и поглощает инфракрасный свет при температуре выше 60 градусов по Цельсию (140 градусов по Фаренгейту).

Ян отметил, что есть еще вопросы, на которые необходимо ответить, прежде чем диоксид ванадия можно будет коммерциализировать, но сказал, что это исследование подчеркивает потенциал материала с «экзотическими электрическими и термическими свойствами».«

Хотя есть несколько других материалов, помимо диоксида ванадия, которые могут проводить электричество лучше, чем тепло, они возникают при температурах в сотни градусов ниже нуля, что затрудняет внедрение в реальные приложения, говорят ученые.


Новые исследования объясняют переход диоксида ванадия из диэлектрика в металл
Дополнительная информация: «Аномально низкая электронная теплопроводность в металлическом диоксиде ванадия» Science , science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aag0410 Предоставлено Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Цитата : По этому металлу течет электричество, а не тепло (2017, 26 января) получено 28 Октябрь 2020 с https: // физ.org / news / 2017-01-metal-electric.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Устройства, преобразующие тепло в электричество, на шаг ближе к реальности

Изображение на сканирующем просвечивающем электронном микроскопе никель-платинового композитного материала, созданного в Университете штата Огайо. Слева изображение перекрыто картами элементов материала в искусственных цветах, включая платину (красный), никель (зеленый) и кислород (синий). Предоставлено: изображение Изабель Буна, Центр электронной микроскопии и анализа ОГУ; Левое изображение подготовила Рене Рипли.Предоставлено Государственным университетом Огайо.

Те же исследователи, которые первыми использовали квантово-механический эффект для преобразования тепла в электричество, выяснили, как заставить свою технику работать в форме, более подходящей для промышленности.

В Nature Communications инженеры из Университета штата Огайо описывают, как они использовали магнетизм на никеле и платине для усиления выходного напряжения в 10 или более раз - не в тонкой пленке, как они делали раньше, а в более толстый кусок материала, который больше напоминает компоненты будущих электронных устройств.

Многие электрические и механические устройства, такие как двигатели автомобилей, выделяют тепло как побочный продукт своей нормальной работы. Это называется «отходящее тепло», и его существование требуется в соответствии с фундаментальными законами термодинамики, объяснил соавтор исследования Стивен Буна.

Но растущая область исследований, называемая твердотельными термоэлектриками, направлена ​​на улавливание этого отработанного тепла внутри специально разработанных материалов для выработки энергии и повышения общей энергоэффективности.

«Более половины потребляемой нами энергии тратится впустую и попадает в атмосферу в виде тепла», - сказал Буна, научный сотрудник в штате Огайо.«Твердотельные термоэлектрики могут помочь нам восстановить часть этой энергии. Эти устройства не имеют движущихся частей, не изнашиваются, надежны и не требуют обслуживания. К сожалению, на сегодняшний день они также слишком дороги и недостаточно эффективны, чтобы гарантирует широкое использование. Мы работаем над этим ".

В 2012 году та же исследовательская группа из штата Огайо, возглавляемая Джозефом Хермансом, продемонстрировала, что магнитные поля могут усиливать квантово-механический эффект, называемый спин-эффектом Зеебека, и, в свою очередь, повышать выходное напряжение тонких пленок, сделанных из экзотических наноструктурированных материалов из от нескольких микровольт до нескольких милливольт.

В этом последнем достижении они увеличили выходную мощность для композита из двух очень распространенных металлов, никеля с добавлением платины, с нескольких нановольт до десятков или сотен нановольт - меньшее напряжение, но в гораздо более простом устройстве, которое не требует нанопроизводства и может быть легко расширена для промышленности.

Хереманс, профессор машиностроения и аэрокосмической техники и выдающийся ученый в области нанотехнологий из Огайо, сказал, что в некоторой степени использование той же техники для более толстых кусков материала потребовало, чтобы он и его команда переосмыслили уравнения, которые управляют термодинамикой и термоэлектричеством, которые были разработаны до того, как ученые узнали о квантовой механике.И хотя квантовая механика часто касается фотонов - волн и частиц света, - исследования Херманса касаются магнонов - волн и частиц магнетизма.

«В основном, классическая термодинамика охватывает паровые двигатели, использующие пар в качестве рабочего тела, или реактивные двигатели или автомобильные двигатели, использующие воздух в качестве рабочего тела.В термоэлектриках в качестве рабочего тела используются электроны. И в этой работе мы используем кванты намагниченности или «магноны» в качестве рабочего тела », - сказал Хереманс.

Исследования в области термодинамики на основе магнонов до сих пор всегда проводились в тонких пленках - возможно, толщиной всего в несколько атомов - и даже самые эффективные пленки производят очень малые напряжения.

В статье 2012 года его команда описала воздействие магнонов на электроны, чтобы протолкнуть их сквозь термоэлектрические материалы. В текущем документе Nature Communications они показали, что тот же метод можно использовать в объемных кусках композитных материалов для дальнейшего улучшения утилизации отходящего тепла.

Вместо того, чтобы наносить тонкую пленку платины поверх магнитного материала, как они, возможно, делали раньше, исследователи беспорядочно распределяли очень небольшое количество наночастиц платины по всему магнитному материалу - в данном случае никелю. Полученный композит давал повышенное выходное напряжение из-за спинового эффекта Зеебека. Это означает, что при заданном количестве тепла композитный материал генерировал больше электроэнергии, чем любой материал мог бы сам по себе. Поскольку весь композитный материал является электропроводным, другие электрические компоненты могут потреблять напряжение от него с большей эффективностью по сравнению с пленкой.

Хотя композит еще не является частью реального устройства, Хереманс уверен, что доказательство принципа, установленное в этом исследовании, вдохновит на дальнейшие исследования, которые могут привести к применению для обычных генераторов отходящего тепла, включая автомобильные и реактивные двигатели. Он добавил, что эта идея носит очень общий характер и может быть применена к различным комбинациям материалов, позволяя использовать совершенно новые подходы, не требующие дорогих металлов, таких как платина, или сложных процедур обработки, таких как выращивание тонких пленок.


Ученые приблизились к новому виду термоэлектрического «теплового двигателя»
Дополнительная информация: Стивен Р. Буна и др. Наблюдение за вкладом спинового Зеебека в поперечную термоэдс в объемных нанокомпозитах Ni-Pt и MnBi-Au, Nature Communications (2016).DOI: 10.1038 / ncomms13714

C. M. Jaworski et al. Эффект Зеебека с гигантским вращением в немагнитном материале, Nature (2012). DOI: 10.1038 / nature11221

Предоставлено Государственный университет Огайо

Цитата : Устройства, преобразующие тепло в электричество, на шаг ближе к реальности (2016, 23 декабря) получено 28 Октябрь 2020 с https: // физ.org / news / 2016-12-devices-electric-close-reality.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Смотрите также