початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

«ТЕРМОТРОН» - термоемісійного ГЕНЕРАТОР ...
ПРЯМЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИКА

Автор статті: Седунов І. П.

Залиште коментар

Минуло 15 років з того моменту, коли в останній раз, подивившись на результати своєї роботи, вирішив більше не відкривати цю тему, і не витрачати більше даремно власний час, ... сьогодні ж, коли вся країна перетворилася на суцільне купи-продай, місцем «творчої свободи »залишається лише всесвітня павутина інтернету. Але і тут все намагаються продатися з передоплатою, підсовуючи часто неякісний товар. То чи не будемо їм уподібнюватися.

Седунов І.П.

Вступ

Вважаю, що доступна форма викладу, для більшості читачів, які не мають навіть мінімальної підготовки, допоможе і їм, і всім нам краще зрозуміти всю перспективність отримання електричного струму шляхом прямого перетворення тепла в електрику. Усвідомити, що таке термоемісійні генератори, в чому їх переваги і недоліки, де ховаються основні протиріччя, що заважають термоемісійним генераторам зайняти належне їм лідируюче положення в енергетиці.

Термоелектронна емісія була відкрита Едісоном в 1884 році. Кілька після в 1897р. Томсон показав, що з нагрітого катода емітуються електрони. Цей ефект отримав назву «електронної емісії» - явище виходу електронів за межі провідника.

У металі навіть при невисокій температурі присутня велика кількість вільних електронів, що знаходяться в хаотичному тепловому русі. Швидкості вільних електронів в будь-який фіксований момент часу різні і змінюються в часі внаслідок взаємодії електронів між собою і з іонами кристалічної решітки металу. При нагріванні металу швидкості електронів і їх кінетична енергія зростає.

Перебуваючи в безладному тепловому русі, частина електронів досягає поверхні металу. Далеко не всі з них можуть перетнути поверхню металу і перейти в навколишнє середовище. На електрони, що наближаються до поверхні, починають діяти електричні сили, що втягують їх назад в метал. У поверхні металу утворюється два шари різнойменних електричних зарядів, на подолання яких електроном витрачається певна енергія. Для виходу ж електронів за межі металу вони повинні мати достатній запас кінетичної енергії, ще й з подолання затримує їх в металі сили. Подібна робота носить назву роботи виходу. Вона є характеристичною величиною, і для кожного металу вона своя. Як вже було сказано гальмівну дію, яке надає метал на який залишає його електрон, не закінчується на момент перетину електроном кордону металу. В результаті виходу електрон виявляється позитивно зарядженим. Віддаляючись ж від металу, він переміщається в котрий гальмує електричному полі.

При кімнатній температурі тільки деякі електрони металу володіють запасом енергії, достатнім для виходу з металу. Тому в цих умовах емісія електронів практично не помітна. Збільшити число електронів, що залишають метал, можна шляхом повідомлення електронам додаткової енергії або зменшення роботи виходу з металів. На практиці використовують обидва ці кошти.

Додаткова енергія Q повідомляється електронам шляхом нагрівання катода, що викликає зростання струму електронної емісії (Рис.1). Якщо нагріти катод (1) до температури (ТК) рівною 1100 - 2500 ° К, то з поверхні металу катода почнуть вилітати електрони в напрямку анода (Рис.1), що має більш низьку температуру (ТА) рівну 700-1100 ° К. Якщо зовнішня ланцюг ТЕмГ замкнута, то електрони з анода, через зовнішнє навантаження (R) повернуться на катод. Направлений рух електронів буде тривати до тих пір, поки між катодом і анодом буде підтримуватися різниця температур (Т).

Таким чином, частина теплової енергії (Q), підведеної до катода, безпосередньо перетворюється в постійний електричний струм. При розімкнутому зовнішньому ланцюзі ТЕмГ напруга на його висновках дорівнюватиме ЕРС.

Залежність щільності струму емісії від температури в робочих межах її вимірювання точно слідує закону

встановленому в результаті досліджень Річардсона і Дешмана. У формулі J е - щільність струму термоелектронної емісії в амперах на квадратний сантиметр (а / см2); Т-температура катода в градусах абсолютної шкали. А та b - постійні величини, що залежать від речовини катода.

З формули випливає, що найбільш сильно ток емісії залежить від величини b, яка пропорційна роботі виходу електрона з металу. Чим більше величина b, а, отже, і робота виходу, тим менше при заданій температурі щільність струму емісії. Значення параметра А для більшості чистих металів, з яких виготовляються катоди, розрізняються порівняно мало.

Таблиця 1

Неважко помітити, що найбільшою термоемісійною здатність має цезій, за ним слід барій і т.д., найменшою - вольфрам, однак цезій легко випаровується, вольфрам ж навпаки добре переносить розігрів до 2700 ° К. У лампах розжарювання наприклад вольфрамовий катод протягом тривалого часу мав питому емісію до 300 ма / см2. Економічність ж такого вольфрамового катода була дуже низька і становила всього 5 ма / Вт. Характеристики залишали бажати кращого, тому згодом з'явилися активовані катоди для ламп, що представляють собою зазвичай вольфрамову основу, покриту тонким (атомарним) шаром торію, барію, або іншого металу з малою роботою виходу. Таким шляхом вдалося зменшити роботу виходу в 1.7 рази при торієвому покритті, в 3.1 - при барієвої покритті, і як логічне завершення - поява активованих катодів, що зменшують ще більше роботу виходу електронів. Серед них найбільшого поширення набули оксидні катоди, що покривають той же вольфрам атомарним шаром із суміші барію і стронцію. І хоча сьогодні лампи, можна сказати, зникли з нашого поля зору, як колись паровози з залізничних шляхів, принципи отримання термоемісійного струму залишилися непорушними.

Класифікація термоемісійних перетворювачів

До початку классифицирования з'ясуємо для себе основну сутність термоемісійною енергетики. А вона досить проста - і полягає в перенесенні максимальної кількості електронів з гарячого катода на холодний анод при мінімальній втраті тепла. А цього ніяк не уникнути, тому що нагрівання катода з подальшим відривом електронів від своїх ядер супроводжується випромінюванням фотонів (а це і є теплопередача випромінюванням). Намагаючись відсунути анод від катода, ми зменшуємо тепловий вплив на анод, підсовуючи його до катода, збільшуємо емісію - струм, але анод починає перегріватися. І якщо електрон, як носій негативного елементарного заряду стабільний і володіє масою спокою, то фотон може бути тільки в русі, його неможливо зупинити, або за допомогою полів повернути, при «зіткненні» з речовиною він може тільки відчувати «пружні або непружні зіткнення». Самих же фотонів в атомі і в ядрі в готовому вигляді немає, вони народжуються в момент перебудови структури атома, в даному випадку при його нагріванні. Чим далі фотонний потік від анода, тим легше його повернути на катод за допомогою «пружного зіткнення» за рахунок «механічного» відображення фотонів дзеркалами.

У цьому і суть. Зазор між катодом і анодом не потрібен по визначенню, без нього електронів з гарячого катода легко «перестрибнути» на холодний анод. Але їх близьке розташування призводить до нагрівання анода і зводить нанівець переваги вільного електронного переходу. Завдання в тому і полягає, щоб відокремити «зерна від плевел - фотони направо, електрони наліво». Раз безпосередньо проблему не вирішити, намагаються йти в обхід .... Звідси і велика кількість напрямків, за якими розвивається термоемісійна енергетика. Немає і єдиної точки зору навіть на те, як називати пристрій для отримання термоемісійного струму, хто називає ТЕмГ, а хто і ТЕП (термоемісійний перетворювач).

Залишається їх тільки класифікувати (табл.2):

У базовому виконанні все, або майже все термоемісійні генератори (ТЕмГ) як вже було показано на рис.1 складається з двох плоских (або коаксіальних) електродів, розділених невеликим вакуумним проміжком з h = 0.1 ÷ 0.001 мм. c включених в ланцюг опором навантаження.

1. Вакуумні з малим межелектродним відстанню до 0.01 мм. Під вакуумом зазвичай розуміється газ, зокрема повітря має таку високу ступінь розрядження (тиск порядку 10-6 - 10-7 мм pm.сm.) при якому рух електронів відбувається практично без зіткнення з рештою молекулами газу, вакуум в даному випадку є не теплопроводящей середовищем;
2. трьохелектродну, що вимагає допоміжного джерела живлення підвищеної напруги (здійснює об'ємну іонізацію);
3. Газонаповнений (Gs), в якому здійснюється поверхнева, або контактна іонізація на катоді.
4. Перетворювач з об'ємної іонізації - де стійкий дугового розряд здійснюється при низькій напрузі і значному за силою струмі.
У табличній формі це буде виглядати наступним чином:

вакуумний ТЕмГ

У ньому, та й у всіх термоемісійних перетворювачах і закладений принцип виходу з металу вільних електронів за рахунок надання їм кінетичної енергії від підводиться тепла такої сили, що вони починають вилітати за поверхню електронної плівки (Рис.2) в напрямку до анода, утворюючи хмару електронів між катодом і анодом з якимсь просторовим зарядом мають об'ємний потенціал - . Об'ємна хмара електронів досягає висоти близько 10-5 - 10-6 м. Подолавши поверхневий бар'єр і об'ємний потенціал , Електроди досягають анода, якщо він розташований від катода на такій же відстані - 10-5 -10-6 м. При великих зазорах між катодом і анодом зіткнення між електронами в електронному хмарі не дозволяє електронам досягти анода. Тому вакуумні ТЕмГ не можуть працювати при великих відстанях між електродами, а існуючі величини зазорів в міжелектродному просторі конструктивно складними для виконання.

А ось що пишуть на цю тему (за різними джерелами перетворення енергії) у виданні під редакцією А.Ф. Бертінова від 1982 року в «Спеціальних електричним машинах». Цитуємо дослівно: «... для зниження впливу об'ємного потенційного бар'єру  можливі два шляхи: а) зниження міжелектродного відстані до 10-6 м; б) створення зовнішніх електричних або електромагнітних полів для компенсації . Обидва ці способу важкоздійсненним і тому вакуумний ТЕмГ малоперспективен. Основний недолік - труднощі виготовлення і збереження при високих температурах (викривлення і розбухання поверхні) малих міжелектродних відстаней, а й відсутність матеріалів для катодів, що можуть довго працювати при високих температурах ».

До цього абзацу ми ще обов'язково повернемося. Так як важко зрозуміти, що насправді малося на увазі (проведений найретельнішим чином патентний пошук ні до чого не привів). При великій кількості матеріалу на цю тему (взяти хоча б лекції В.Н. Корчагіна для 5 курсу в МГТУ ім. Н. Е. Баумана *), немає ніякої ясності в цьому питанні.

А поки продовжимо. Чим вище температура катода, тим вище емісійний струм але тим і інтенсивніше випаровування кристалічної решітки катода, яка доходить до 0.1 мм. на 1000 годин роботи при робочій температурі катода близько 2800 К. Це значно більше міжелектродного відстані вакуумного ТЕмГ, де перенесення матеріалу з катода на анод зрештою замкне межелектродное простір і установка перестане працювати.
Газонаповнені ТЕмГ.

У газонаповнених генераторах компенсація просторового заряду досягається шляхом введення позитивних іонів в міжелектродному простір, яке генерується поверхневої або об'ємної іонізації. Для цих цілей зазвичай використовують цезій.

На малюнку 3 зображено газонаповнений трьохелектродний генератор з об'ємною іонізацією.

За допомогою додаткового третього електрода здійснюється допоміжний розряд на катод. На нього витрачається від 10 до 20% всієї потужності ТЕмГ. Використовується при низькій температурі катода що не перевищує 1500 ° К. ККД установки не дотягує і до 10%.

Наступний тип газонаповненого ТЕмГ, який отримав найбільше поширення, заснований на використанні ефекту поверхневої іонізації нейтрального газу на катоді. При ударі таких атомів об поверхню гарячого металу вони віддають свої електрони, перетворюючись на позитивно заряджені іони. При цьому відбувається нейтралізація просторового заряду електронів перебувають над поверхнею катода. Цезій, що заповнює межелектродное простору і маючи низький потенціал іонізації (φ = 3.89В) нейтралізує об'ємний просторовий заряд електронів. Число іонів цезію відносно невелике, і іонізованого газу при тиску 10-2 вже досить, щоб електричне поле в міжелектродному зазорі стало рівним нулю. Чим вище тиск парів цезію, тим більше емісія електронів з катода на анод. В цілому, частково сконденсувалася на електродах цезій підвищує вихідну напругу елемента.

Щільність «електронного газу» між електронами неоднорідна, у катода є надлишок електронів, а в області анода знаходиться тонкий ізолюючий бар'єр з відносно холодних неіонізованих парів цезію (Cs). Їх електрони обходять без особливих труднощів. Даний бар'єр діє як термоелектричний матеріал з високим коефіцієнтом Зеєбека (α), тому в цій області може генеруватися значна частка напруги елемента.

Ще один поширений клас ТЕмГ - з об'ємною дугового нейтралізацією.

Під час роботи в ньому за певних умов між електродами може виникнути тривала низьковольтна холодна дуга. Напруга такого елемента вдається підняти до 6 вольт (всі термоемісійні генератори низьковольтні). Струм іонізації зростає приблизно на порядок, зростає як наслідок і потужність. З одиниці площі (S) такого генератора в 1м2 можна зняти до 250 кВт потужності (Р) і підняти ККД (η) установки до 17% при ТК = 2000 К і ТА = 1000К.

Коефіцієнт корисної дії

Як і будь-яка теплова машина ТЕмГ володіють певним ККД.

У таблиці 3 показані значення ККД без урахування реальних втрат. Отримані значення істотно нижче і становить близько 10 ~ 15%. (Таблиця 4).

Підводиться до катода потужність теплового джерела (Рт) витрачається на електронне охолодження катода (Ре), взаємний теплообмін випромінюванням (Рі), втрати з теплопровідністю (Рк) і втрати в підвідних проводах. (РПП) т.е .:
Рт = Ре + Рі + Рк + Рпк.

За оцінками деяких експертів серед існуючих ТЕмГ найкращими показниками можуть стати генератори, розміщені безпосередньо в ядерних реакторах з урансодержащіе цезієвим катодом. При температурі близько 2000 градусів від них очікують до 40% ККД при питомій потужності катода (Ре) доходить до 1000 кВт / м2. Такі установки можуть бути застосовані хіба що в космічних польотах.

Ми зупинилися на тому місці, на якому сьогодні топчеться вся наука, а разом з нею і все інше прогресивне людство. А далі що …. «Термотрон»

«Термотрон» - а що це таке?

Амплітрона - знаємо, магнетрон - знаємо, навіть клістрон знаємо, Термотрон не знаємо. І не дивно, мова піде про перетворювачі, точніше про ТЕмГ, який був виготовлений 15 років тому у вигляді лабораторної аматорської установки і прожив 3 хвилини. Правда, при цьому показав багатообіцяючі результати.

Але до знайомства знову доведеться трохи відступити в історію питання.

Розглянемо для початку СВЧ генератор - амплітрона (магнетрон). Він перетворює потужність постійного струму в СВЧ потужність. Амплітрона дозволяє отримати великі значення СВЧ потужності при високих ККД, що доходять до 85-90%.

Обертові спиці просторового заряду амплітрона (магнетрона) згідно Рис 4 наводять струми в СВЧ ланцюга і забезпечують посилення сигналу. Основне призначення: магнетрон радіолокація, і звичайно космос - точніше сонячна орбітальна космічна електростанція (СоЕС). Це та програма, яка передбачає трансляцію сонячної енергії на Землю. Згідно «плану», на геостаціонарній орбіті (35800 км) мають у своєму розпорядженні великі сонячні панельні батареї (СБ), які виробляють постійний електричний струм, що живить потужні НВЧ генератори (клістрони), а вони в свою чергу транслюють енергію на Землю пучком електромагнітних хвиль. Сюди і вбудовуються амплітрона. На Землі ж реактенна у вигляді магнетрона з не меншим ККД приймає постійний або змінний струм і перетворює його в промисловий струм. От і все. Ми впритул підійшли до фізичної моделі ТЕРМОТРОН. Для зручності викладу матеріалу розглянемо спочатку прототип - плоску модель, таку ж, як і колись виготовлену лабораторну модель.

Для отримання струму в такому термоемісійного генераторі катод і анод необхідно розташувати паралельно робочими поверхнями з одного боку уявної площини, що має, умовно кажучи «загальний енергетичний рівень» і, помістити їх у взаємно схрещеними електричне та магнітні поля, як це зображено на Рис.5. При нагріванні катода емісія електронів з його поверхні і рух електронів до анода буде здійснюватися в електромагнітному полі. Траєкторія такого руху електронів буде аналогічна при роботі магнетрона - по циклоїді.

При створенні між джерелом електричного поля підключеного між колектором анодом, і катодом з обігрівається катода до колектора почнуть равноускоренно рухатися електроди, відчуваючи з боку електричного поля дію постійно прискорюється сили, за рахунок якої кінетична енергія електронів безперервно збільшується, досягаючи свого максимуму у поверхні колектора. Якщо тепер в даний простір почати вводити зростаюче значення величини магнітного поля, збільшуючи магнітну індукцію, то траєкторія руху електронів почне істотно змінюватися, викривляючись тим більше, чим більше величина магнітної індукції. При досягненні певної величини магнітної індукції, яка виступає доцентровою силою по відношенню до рухомих електронів, їх траєкторія скривиться настільки, що вони вже не зможуть потрапляти на колектор а, описуючи в просторі складну криву, в даному випадку циклоиду опустяться на анод. Останній буде перебувати на значній відстані від катода, що обігрівається зовнішнім джерелом тепла.

Залежно від відстані між електродами можна регулювати величину електромагнітного поля для досягнення всіма електронами тіла анода. Розглянемо взаємодію рухомого електрона з зазначеним подвійним полем. Зрозуміло, що з магнітним полем електрон енергією не обмінюється, воно лише викривляє його траєкторію руху. Тому кінетична енергія електрона цілком визначається тією різницею потенціалів, яку електрон пролетів в електричному полі. Залишаючи катод, електрон розганяється електричним полем, збільшуючи свою кінетичну енергію, рухаючись при цьому по висхідній гілки циклоїди. На вершині кривої електрон перетинає електричні силові лінії, під прямим кутом, маючи максимальну кінетичну енергію. Отримати велику енергію від електричного поля не дає магнітне поле, яке викривляє його траєкторію, викликаючи зворотний рух електрона на той же енергетичний рівень, з якого він почав свій рух. Якщо відстань, яке пролетів електрон більше довжини катода, то його «посадка» відбудеться на анод зі швидкістю чи майже на «теплової швидкості». Таким чином, скільки енергії електрон відібрав у електричного поля при русі вгору по циклоїді, стільки ж і повернув цьому полю, опускаючись по низхідній гілці циклоїди. А в деяких випадках навіть більше, так як це зображено на Рис.6, тут анод розташований нижче катода на величину, що не перевищує різниці роботи виходу катода і анода. В цьому випадку

електричну енергію можна знімати не з анода, а з джерела створює електричне поле між катодом і анодом. Що дуже важливо.

В обох випадках електрон, у якого вся кінетична енергія буде віддана полю, не викликатиме значного нагрівання ні колектора, ні анода. Для значного підвищення ККД установки поверхні анода і колектора повинні володіти високими світловідбивними властивостями для повернення «розсіяною катодом теплоти» назад в роботу. Таким вимогам задовольнять відполіровані аноди з шорсткістю поверхні не нижче 12-14 класу, у них висота мікронерівностей повинна бути на рівні довжини напівхвилі фотона, з покриттям сріблом, хромом або тим же цезієм. Тоді їхня відбивна здатність може досягати 99,5%. В цьому не треба навіть сумніватися. Таким чином, можна отримати термоемісійний генератор з видатними характеристиками і високим ККД. Крім того, будь-яке коротке замикання між електродами виключається, тут на атоми кристалічної решітки діятиме негативна сила електричного поля.

Змінюючи напруженість електромагнітного поля можна змінювати струм емісії з одиниці площі катода, аналогічно використовуваному в радіолампах розжарювання закону 3/2, де при збільшенні напруги між електронами і збільшується і струм емісії. На момент повної емісії настає режим автоеміссіі, для якої буде справедливо наступне рівняння термодинаміки:

На Рис.7 зображений коаксіальний тип ТЕРМОТРОН. У круговому варіанті можна використовувати кілька анодів, в даній схемі добре видно «парні аноди». Траєкторії руху електронів буде точно така, як і в плоскій моделі - циклоїда (траєкторія а - а '). Яка то частина електронів, безумовно, не буде з першого разу потрапляти на анод (траєкторія б - б '), але і в разі невдалого «польоту» енергія таких електронів не втрачається. Всі електрони повертаються на той «рівень енергії», з якого вони і почали свій шлях. Для регулювання потужності термоемісійного генератора крім зміни характеристик електромагнітного поля і навантаження (R), є можливість чисто фізичного впливу на аноди. Шлях - механічне регулювання виступанія анодів над поверхнею катода в межах різниці їх роботи виходу.

Температура анодів вільно може підтримуватися на рівні 300 ° К. Це ще більше збільшить здатність «холодних анодів» захоплювати в своє поле підлітають електрони. Відповідно, між анодами і катодом повинна бути передбачена як теплова ізоляція, так і належне цьому охолодження анодів.

Що б не дратувати фахівців описом переваг розглянутих термоемісійних генераторів, зупинимося на цій оптимістичній ноті, і нехай так би мовити, кожен сам для себе домислює те, що він хоче, країна ж чекає своїх рабів для здійснення трудових подвигів, адже ще не скоро підростуть ті вундеркінди , яких сьогодні шукають в дитячих садах!

література

1. В.Ф. Власов «Курс радіотехніки». Госенергоіздат. 1962р.
2. Н.І.Карякін, К.Н.Бистров, П.С.Кіреев. «Короткий довідник з фізики» Госізданіе «Вища школа. 1962р.
3. І.П. Жеребцов «Радіотехніка». Видавництво «Зв'язок» 1964р.
4. Г.Н. Алексєєв. «Загальна теплотехніка». Москва «Вища школа» 1980р.
5. «Спеціальні електричні машини». Джерела перетворення енергії.
За редакцією проф. А.І.Бертінова. Москва. Енергоіздат. 1982р
6. В.Д. Льовенберг «Енергетичні установки без палива». Видавництво «Суднобудування» 1987 р
7. В.І. Козлов. «Електрика і магнетизм» М. Видавництво МГУ, 1987р.
8. Савельєв І.В. «Курс загальної фізики» М: Наука 1998 р

Версія для друку
Росія тел / факс: (812) 379-17-32
Автор: Седунов І. П.
PS Матеріал захищений.
Дата публікації 23.09.2004гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів