2 Общие вопросы
План лекции 2. 1 Сущность электрохим. и электрофиз. методов ЭФХТ. 2. 2 Технологические проявления (свойства) различных электрических и магнитных явлений. 2. 3 Природные ЭХ и ЭФ явления неотъемлемые факторы среды обитания биологических объектов. 2. 4 Использование различных форм электромагнетизма в технологических и биологических процессах СХП.
2. 1 Сущность ЭФ и ЭХ методов ЭФХТ «Электричество – определенным образом вездесуще. На земле не происходит ни одного изменения, не сопровождаемого каким-либо электрическим явлением» . Ф. Энгельс «Диалектика природы» .
ЭФ и ЭХ методами называют группу методов воздействия на объект для получения технологического эффекта, при которых электрическая энергия используется непосредственно или с предварительным преобразованием в другие "нетепловые" виды.
ЭФ и ЭХ методы основаны на разнообразных проявлениях ЭМП (массоперенос, поляризационные, ориентационные явления и др. ), существенное влияние на характер которых оказывают его форма, частота и т. д. В большинстве случаев для реализации этих методов необходимы специальные источники питания.
Главные задачи: n изучение электротехнологических процессов, оборудования для ЭФХ и ЭБ воздействия на объекты (растения, почва, животные, птица, семена и т. д. ); n выяснение физических основ и механизмов воздействия; n расчет основных параметров, выбор оборудования; n эксплуатация оборудования.
ЭФХ-методы обработки вещественных сред - еще более обширная область электротехнологии, чем электротермия. Они используются практически во всех сферах человеческой деятельности: промышленности, СХП, быту, медицине, ветеринарии, военном деле и др.
Примеры Электрохимия n получение чистых и сверхчистых металлов (алюминия, меди, серебра и др. ); n производство кислорода, водорода, хлора, кальцинированной соды, соляной кислоты и др. ; n электромелиорация почв и т. п. ;
обогащение руд; n опреснение воды; n получение активированных и дезинфицирующих растворов и др. n
Гальванотехника (одно из промышленных направлений электрохимии) n гальванография металлов (никелирование, хромирование, цинкование и др. ) n изготовление типографских клише; n изготовление барельефов, скульптур; n восстановление изношенных металлических деталей и т. п.
Электроимпульсная технология n получение сверхвысоких давлений; n электрогидравлические установки (восстановление, штамповка); n дробление материалов (горных пород, валунов и др. ); n обеззараживание сред; n управление поведением животных.
Электронно-ионная технология n разделение смесей (рудных, зерновых и т. п. ); n электрофильтрация воздуха; n процессы аэроионизации; n осаждение аэрозолей; n предпосевная обработка семян.
Ультразвуковая технология n повышение качества расплавов; n пайка алюминия; n холодная сварка металлов и других материалов; n смешивание несмешивающихся жидкостей (вода с бензином, масло с водой и т. п. );
предотвращение образования накипи в котлах, очистка; n стерилизация и пастеризация сред; n очистка и мойка деталей, стирка; n измерительная техника и др. n
Магнитная обработка материалов n сепарация руд, семян и др. ; n очистка смесей от металлических частиц; n предотвращение образования накипи в котлах; n предпосевная обработка семян; n применение в медицине и ветеринарии.
Особенность ЭФХ-методов в том, что они основаны на прямом использовании электрических и магнитных факторов и явлений ЭМП для выполнения производственных процессов.
2. 2 Технологические проявления (свойства) различных электрических и магнитных явлений Превращение энергии электромагнитного поля (ЭМП) в другие виды происходит при поглощении электромагнитных волн средами.
Необходимое условие поглощения - наличие в веществе тела "приемников" электромагнитной энергии - элементарных свободных или связанных электрических зарядов, имеющих собственную частоту колебаний, не сильно отличающуюся от частоты колебаний поля.
Интенсивность поглощения и направленность превращений зависит от электрофизических свойств сред и частоты поля. Поглощение энергии поля тем больше, чем ближе собственная частота колебаний частиц тела к частоте колебаний поля.
В проводниках при сравнительно низких частотах поля приходят в движение "свободные" электроны или ионы, в результате чего образуется ток электронной или ионной проводимости. Связанные заряды металлов слабо реагируют на низкие частоты, а электромагнитные волны частотой выше 1 МГц металлы отражают.
В диэлектриках "приемниками" электромагнитных волн на высоких частотах становятся связанные заряды, образуя ток электрического смещения. Электромагнитная волна, распространяясь в поглощающей среде, ослабляется в направлении распространения.
Поток энергии, определяемый вектором Пойнтинга, является функцией расстояния z от поверхности среды и убывает по экспоненциальному закону где - поток энергии на поверхности среды, - коэффициент затухания волны,
Для поглощающих сред
Таким образом, интенсивность затухания волны и, следовательно, поглощение энергии, определяются коэффициентом затухания , представляющим собой функцию электрофизических свойств среды и частоты поля. Для металлов поэтому
В металлах вследствие высокой проводимости и магнитной проницаемости ферромагнетиков электромагнитные волны быстро затухают даже на сравнительно низких частотах.
В идеальных диэлектриках электромагнитные волны не затухают и энергия не поглощается. В реальных диэлектриках поглощение возможно лишь на высоких частотах (более 1 МГц).
Превращение поглощенной электромагнитной энергии в другие виды происходит в результате различных взаимодействий электрических и магнитных полей с элементарными частицами сред, с индуцируемыми в средах токами, с электрически заряженными телами и т. д.
Результатами таких взаимодействий являются различные технологические проявления, или действия поля (тока).
Основные технологические проявления или действия поля (тока): n магнитное действие; n тепловое (термическое) действие тока; n механические силы поля; n химическое действие; n биологическое действие тока (поля).
Магнитное действие тока отражает глубинную, неразрывную связь электрических и магнитных явлений, основанную на природе микромира вещества: протекание тока всегда сопровождается возникновением магнитного поля.
На использовании взаимодействия магнитных полей и электрического тока и их взаимопревращении основан электромеханический метод преобразования электрической энергии в электродвигателях и других электромеханических устройствах.
Магнитные поля используют и непосредственно в технологических процессах для изменения структуры и свойств неживой и живой материи, воздействуя на нее на молекулярном уровне. Термическое действие тока проявляется в нагреве сред, в которых он протекает.
Механические силы поля в отличие от электродвижущих сил, действующих на элементарные заряды внутри тел, механически воздействуют на заряженные макротела, проводники с током, электро- и магнитострикционные тела, производя механическую работу по перемещению тел или изменению их объема и плотности.
Химическое действие тока состоит в том, что его протекание в проводниках II рода (электролитах) сопровождается электролизом - окислительновосстановительными реакциями на электродах, в результате которых получают новые вещества с новыми химическими свойствами.
Биологическое действие заключается в том, что ток (поле) влияет на протекание жизненных процессов в биологических объектах. Это влияние может быть как стимулирующим, так и угнетающим.
В приемнике (системе тел) электроэнергия не "потребляется" и не "расходуется", а в соответствии с законом сохранения и превращения энергии переходит из одного вида в другой (первый закон термодинамики), причем эти превращения протекают в определенном направлении - в направлении возрастания энтропии системы (второй закон термодинамики).
Закон сохранения и превращения энергии позволяет составить энергетический баланс системы, поглощающей энергию ЭМП, и рассмотреть те преобразования энергии, которые происходят в системе
Левая часть равенства представляет собой энергию, поступающую в систему, - это работа сторонних ЭДС, производимая за счет химической (химические источники тока), механической (электромашинные генераторы), тепловой (термоэлектрические генераторы) и других видов энергии.
Составляющая представляет собой теплоту Джоуля. Ленца, выделяемую вследствие омического сопротивления элементов цепи.
Превращение электрической энергии в механическую возможно при перемещениях элементов цепи, например в результате взаимодействия проводников, в которых протекает ток, с магнитным полем, с ферромагнитными телами и т. д.
Составляющая работа по преодолению контактной разности потенциалов. Последняя возникает в месте контакта разнородных металлических проводников (полупроводников) или проводников I и II рода.
В первом случае работа тока превращается в месте контакта в теплоту Пельтье, которая в отличие от теплоты Джоуля. Ленца пропорциональна току в первой степени.
Во втором случае под действием возникающей в месте контакта проводников разности потенциалов (перенапряжения) на поверхности проводников I рода (электродах) протекают химические реакции, т. е. электрическая энергия преобразовывается в химическую.
2. 3 Природные ЭФ и ЭХ явления – неотъемлемые факторы среды обитания биологических объектов
К природным факторам относят: n солнечную радиацию; n ионное состояние атмосферы; n электрическое поле Земли; n магнитное поле Земли; n грозовые разряды; n электрические токи в атмосфере; n электрические токи в Земле и др.
Солнечная радиация. Солнце - это энергетическая база Земли и, следовательно, всего живого. Спектр излучения Солнца – это электромагнитные колебания в диапазоне длин волн 420 мкм… 10 нм. .
Количество энергии, посылаемой Солнцем на Землю, огромно и характеризуется «солнечной постоянной» (энергетическая облученность), равной
В атмосфере поглощается около 40% солнечной энергии, так что энергетическая облученность поверхности Земли составляет около 860 Вт/м 2. Под действием солнечного излучения протекают важнейшие процессы фотосинтеза и другие биохимические и биологические процессы.
Ионное состояние атмосферы. Атмосфера Земли насыщена электрическими заряженными частицами – ионами. Средняя концентрация ионов над сушей:
Ионное состояние атмосферы имеет два важных следствия: n ионы являются важнейшим фактором условий окружающей среды, оказывающим существенное влияние на процессы обмена, усвоения продуктов питания и другие факторы жизнедеятельности.
наличие ионов в воздухе обуславливает электрическую проводимость атмосферы. Среднее значение проводимости у поверхности Земли составляет n
Электрическое поле Земли. Земля и атмосфера представляют собой гигантский конденсатор, у которого отрицательный полюс находится на поверхности земли. Земля имеет отрицательный заряд
Потенциал Земли принимают равным нулю, с высотой потенциал возрастает и на расстоянии 12 км достигает
Электрические токи в атмосфере. Так как существует электрическое поле Земли, ионы в атмосфере, то существуют и токи. Плотность тока в атмосфере
Электрические токи в Земле замыкают атмосферные. Суммарный ток составляет
Магнитное поле Земли. Жизнедеятельность биологических объектов связана с движением ионов и электронов, что сопровождается появлением магнитного поля, значит и магнитное поле является одним из определяющих факторов.
Магнитное поле окружающей среды складывается из двух основных составляющих: магнитного поля Земли и магнитных полей искусственного происхождения (работающие ЛЭП, электрические двигатели, генераторы и т. п. ).
Давно обнаружена биологическая ориентация растений, перелета птиц, влияние магнитных бурь и др. Например, семена, высаженные корешком зародыша к южному магнитному полюсу, прорастают быстрее, чем высаженные корешком к северному.
Широко применяется магнитотерапия. Магнитокардиограф позволяет выявить начало серьезных сердечных заболеваний на более ранней стадии, чем электрокардиограф.
Характерная особенность действия магнитного поля на живой организм заключается в том, что он «прозрачен» для магнитного поля. Даже сильный огонь не сразу приводит к тяжелому исходу. Система кровообращения, мускулатура могут шунтировать опасный ток.
Проникающая радиация частично или полностью поглощается в поверхностных областях тела. А магнитное поле действует на весь организм сразу: от тела и органа до клетки и отдельных молекул и атомов.
Напряженность магнитного поля на поверхности Земли невелика и непостоянна: она колеблется по суткам, месяцам, годам. Иногда происходят резкие локальные увеличения напряженности поля.
Причина их – спорадические явления, возникающие на Солнце и сопровождающиеся изменением солнечной активности. Во время магнитных бурь, продолжающихся от минут до суток, напряженность магнитного поля Земли возрастает с сотни, иногда и в тысячи раз.
Грозовые разряды. Разряд молнии – это образование, хотя и кратковременное, электрической цепи с током, превышающим 1 к. А.
В главном канале грозового разряда: n сила тока n напряжение n длительность разряда n длина канала разряда – до n толщина разряда – до
Всякий ток, особенно таких значений, вызывает появление электрического и магнитного поля достаточно высокой напряженности, которые влияют на живые объекты. Это вызывает беспокойство и изменение самочувствия.
Повышение напряженности электрического и магнитного полей в атмосфере приводит к своеобразной стерилизации ее – гибели иногда целых популяций микроорганизмов и к изменению газового состава воздуха – появлению в нем микрогазовых примесей (например, вредных закиси и окиси азота), что опасно.
Электромагнитные поля ЛЭП высоких и сверхвысоких напряжений в какой-то степени имитируют предгрозовую ситуацию. При проектировании крупных ЛЭП требуется специальное санитарно-гигиеническое нормирование, так как их влияние отражается на биосфере.
2. 4 Использование различных форм электромагнетизма в технологических и биологических процессах СХП. Роль и значение ЭФХ-методов в СХП. Электрические и магнитные факторы и явления ЭМП: n электрический ток (переменный, постоянный, импульсный и др. );
электрическое поле (статическое, переменное, высокочастотное и т. п. ) n магнитное поле (переменное, постоянное, импульсное и др. ); n ультразвуковые колебания; n оптические и другие излучения и т. п. n
Каждый из этих факторов и явлений обладает в определенных условиях технологическими свойствами – способностью превращаться в рабочей зоне в различные виды энергии (механическую, химическую, тепловую и т. д. )
ЭФХ-методы - сравнительно новая область науки и техники, открывающая возможности для: n создания новых технологий; n повышения интенсивности и глубины обработки; n экономии энергетических и других ресурсов.
Возникновение и эволюция всего живого на Земле (растений, животных, человека, других организмов) происходит вследствие и в условиях ЭФ и ЭХ природных факторов и явлений.
Само существование и жизнедеятельность биологических объектов обязаны непрерывно протекающим в них ЭФ и ЭХ явлениям как на уровне клетки (обмен веществ, деление клетки и т. п. ) так и в целом в жизни растений и животных.
В жизни растений важнейшую роль играют: n фотосинтез – процесс расщепления углекислоты и накопление углеводов в хлорофилле в виде зеленой массы; n электролиз, под действием которого происходит преобразование питательных веществ в состояние легко усвояемое растениями;
электроосмос, обеспечивающий направленное пропускание растворов стенками (мембранами) клеток; n электрофорез, под действием которого коллоидные частицы движутся из почвы в растение и обратно; n а также другие факторы. n
Все жизненные функции животных (переработка и усвоение кормов, продуктов питания, передача сигналов нервной системы, зрительное восприятие и т. п. ) основаны на ЭФХ-явлениях.
Таким образом, ЭФХ-явления, наряду с биологическими, определяют все жизненные процессы. По этому поводу академик П. Л. Капица писал: «Теперь мы знаем, что все жизненные процессы имеют электрическую природу и связаны с прохождением тока» .
Природные ЭФХ-факторы являются неотъемлемой составной частью условий окружающей среды, в которой возникали и развивались биологические объекты, поэтому все живое имеет определенные электрические параметры и определенные связи с природным электричеством, изменение или разрыв которых приводит к угнетению их жизнедеятельности и даже гибели.
Живые клетки, растения, животные обладают определенным потенциалом относительно Земли и чем он выше, тем жизнеспособнее биологический объект. Мертвые биологические объекты теряют свой потенциал.
Из приведенных примеров вытекает важный практический вывод для СХП: внешними (искусственными) электрическими воздействиями можно целенаправленно управлять состоянием, поведением и развитием биологических объектов и сред, стимулировать или наоборот, подавлять их жизнедеятельность.
