УДК 21.315.622

ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЯ В ИСТОЧНИКАХ ТОКА

Колесников Геннадий Юрьевич,

 к.т.н., доцент,

Елисеева Анастасия Александровна,

к.т.н., доцент,

Щикунов Николай Николаевич,

Студент

Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г. Пятигорске 

ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Аннотация: водоактивируемые батареи обладают длительным сроком хранения без активации, простота устройства, безотказность в работе, кроме того, водоактивируемые батареи являются наиболее экологически чистыми в эксплуатации, по сравнению с кислотными и щелочными аккумуляторами и др

Ключевые слова: водоактивируемых батарей, постоянный магнит, электроснабжение.

   В отдаленных районах для децентрализованных сельскохозяйственных районов и фермерских хозяйств вопросы электроснабжения остаются пока не решёнными. Электроснабжение таких объектов затруднено отсутствием централизованных систем, большой рассредоточенностью по территории и малой энергоёмкостью. Для малоэнергоемких стационарных технологических процессов, например осветительных устройств для спасения людей на воде, подзарядки аккумуляторов, раций и мобильных телефонов, а также питания устройств для подкормки рыбы, могут быть использованы в качестве источника питания водоактивируемые батареи на базе гальванических элементов [1].

   К недостаткам водоактивируемых батарей на базе гальванических элементов, можно отнести то, что серийно выпускаемые водоактивируемые батареи подлежат одноразовому использованию и к последующей эксплуатации непригодны, батареи имеют короткий срок эксплуатации до 8 часов, в батареях применяются дефицитные и дорогостоящие материалы, что обуславливает их высокую стоимость [2.3]. Следовательно, создание гальванического элемента из доступных электроактивных материалов с длительным сроком работы и хранения, устраняющего перечисленные недостатки, является весьма актуальной и необходимой задачей.

   Для поисковых исследований был создан гальванический элемент из доступных материалов с медно-цинковой системой электродов с использованием постоянных магнитов, а в качестве электролита – применялся электроактивированный раствор поваренной соли NaCl с концентрацией до 40 г/л (рис.1). К обязательным требованиям, которые предъявляются к конструкции гальванических элементов любого типа, относятся: разделение электродов сепараторами, предотвращающие короткое замыкание; развитие активной электродной поверхности; обеспечение условий равномерной работы электродов; обеспечение механической прочности при минимальной материалоемкости; создание удобств при эксплуатации [4,5].

   Как было выявлено, применение пористой активной поверхности электродов в гальваническом элементе приводит к повышению его энергетических характеристик. Протекание электрохимических реакций может быть ускорено за счет увеличения рабочей поверхности электродов.

   Поверхность плоского электрода, используемого в гальванических элементах, характеризуется габаритной площадью. Величина пористой поверхности электрода, отнесенная к единице габаритной площади называется удельной объемной поверхностью.

   Электрохимические свойства электродов определяются их структурой, которая в значительной степени зависит от характеристик исходного материала. Нередко в качестве материала используют порошковые электроды, которые имеют увеличенную внешнюю поверхность. Разветвленная последовательно-параллельная электрическая цепь по толщине порошкового электрода образуется из ионного тока за счет ионной проводимости электролита, заполняющего свободное пространство развитого электрода, и электронного тока, проходящего по самому электроду.

   Увеличить площадь рабочей поверхности возможно путем создания пористых электродов, однако создание пористых электродов для гальванических элементов представляет собой сложный высокотехнологический процесс. На наш взгляд наиболее приемлемым для практического использования является использование стружки, удерживаемой постоянным магнитом, при создании пористых электродов. Такие электроды обеспечивают значительное увеличение токогенерирующих процессов и позволяют наиболее эффективно использовать активные вещества.

   Определяющим фактором в этом случае, является индукция магнитного поля постоянных магнитов, способная удерживать необходимую массу активного слоя на электроде.

   Масса сменного активного слоя (рис.2) составляет:

   Сила, с которой постоянный магнит должен притягивать активный слой, определяется выражением, согласно рисунку 2.

где F_пр – сила, с которой постоянный магнит должен притягивать активный слой, Н;

      F_т  — сила тяжести активного слоя, Н;

      F_тр – сила трения покоя, Н.

      g – ускорение свободного падения, м/с²;

      f – коэффициент трения оцинкованной стружки о поверхность электрода;

     N – сила противодействия равная силе притяжения.

   Или 

   Отсюда

   Магнитная сила постоянного магнита, действующего на сменный активный слой, составляет:

где F_маг – магнитная сила постоянного магнита, Н;

       γ – удельный объем вещества, м³/кг;

       В – магнитная индукция магнитного слоя, Тл;

— градиент магнитной индукции магнитного поля в направлении х на участке протяженностью dx.

   Приравнивая выражения, получаем следующее уравнение:

   Тогда

   Проинтегрировав выражение получим

   При С = 0 имеем

   Из данного выражения следует, что значение необходимой индукции магнитного поля зависит от веса активного слоя.

   Исследования проводились с различными электродами гальванического элемента с коэффициентом пористости катода К_п=0; 4,3; 6,1; 7,9; 9,8.

   После исследования гальванических элементов в течение 24 часов было определено, что коэффициент развития рабочей поверхности равный 7,9 является наиболее эффективным, однако при коэффициенте пористости 9,8 сила тока снижается, что объясняется повышением сопротивления внутри активного слоя. Изменение значения коэффициента развития рабочей поверхности электрода не  вызывает какого либо повышения напряжения.

   Как видно из рисунка 3, наиболее эффективным является гальванический элемент с катодом с коэффициентом пористости 7,9. Результаты опытных данных по напряжению позволили установить, что значения напряжения в течение исследований снижались незначительно и не зависят от размеров электродов химического источника тока и коэффициента развития площади поверхности электродов.

Использованные источники:

1. Варыпаев В.Н. и др. Химические источники тока. Учеб. Пособие для студ. вузов по спец “Технология электрохимических производств”. – М.: Высшая школа 1990-240 с.
2. Миненко В. И. Магнитная обработка водно-дисперсных систем / В. И. Миненко. – К.: Техника, 1970. – 165 с.
3. Никитенко Г. В. Воздействие магнитного поля на соли воды / Г. В. Никитенко // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: Материалы ΙΙΙ Российской научно-практической конференции. – Ставрополь: Изд-во СтГАУ «Агрус», 2005. – с. 92 – 96.
4. Пат. №68187 Российская Федерация, МПК8 Н01М 6/32, Н01М 6/34. Первичный гальванический элемент; патентообладатель ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. – 2007122965/22; заявл. 18.06.2007г; опубл. 10.11.2007 г, бюл. №31.
5. Пат. №2343570 Российская Федерация, МПК8 Н01М 6/32, Н01М 6/34. Первичный гальванический элемент; патентообладатель ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. – 2009122965/22; заявл. 22.03.2008г; опубл. 10.11.2009 г, бюл. №31.