20. Нелинейные электродинамические процессы

Наибольший интерес представляют нелинейные электродинамические процессы, из которых можно извлекать дополнительную энергию, используя эту нелинейность. Большая часть таких процессов связана с электричеством. Приборы же измеряющие электрическую энергию созданы только для линейных энергетических процессов, поэтому искажают учет её нелинейного расхода. Как обнаружить это искажение и устранить его?

Главная причина создавшегося положения заключается в том, что в основу устройства приборов, показывающих величины напряжения и тока положен линейный закон Ома, учитывающий линейно меняющееся сопротивление

. (49)

На заре рождения и использования электричества большая часть его потребителей имела линейно меняющиеся сопротивления . Тогда проблем точности учета электроэнергии не возникало. Они появились, когда началось освоение потребителей электрической энергии с нелинейно меняющимся сопротивлением и усилились при попытке использовать импульсные потребители электроэнергии. Наиболее ярким нелинейным энергетическим процессом является плазмоэлектролитический процесс. Он возникает при электролизе воды в условиях, когда площадь катода в десятки раз меньше площади анода (рис. 68, a, b).

а) Патент № 2256006

b)

Рис. 68. а) модель плазмоэлектролитической ячейки;

b) плазмоэлектролитическая ячейка в действии

Главной характеристикой плазмоэлектролитического процесса является его вольтамперная характеристика, в которой отражена зависимость изменения тока от напряжения, то есть – фактически закон Ома.

На рис. 69 представлена вольтамперная характеристика плазмоэлектролитической ячейки, работавшей с одномолярным раствором соляной кислоты HCl. Как видно (рис. 69), при повышении напряжения до 40В линейно, в соответствии с законом Ома (6), растет сила тока (рис. 69). Затем, при напряжении более 40В линейность изменения тока нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 - 6) сила тока уменьшается скачкообразно и у катода появляется яркое свечение (рис. 68, b) - плазма. Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 7 - 8) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 8 - 9) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины [1].

Рис. 69. Вольтамперная характеристика плазмоэлектролитической ячейки

Вольтамперная характеристика индивидуальна для каждой ячейки и режима её работы. Она зависит от конструктивных параметров ячейки, используемых материалов катода и анода, концентрации и химического состава раствора, а также от его расхода (рис. 70).

Влияние расхода раствора KOH на вольтамперную характеристику представлено на рис. 70. Во всех трех группах экспериментов устойчивая плазма у катода появляется при напряжении около 100 Вольт и исчезает при понижении напряжения до 85 Вольт. В период существования плазмы наблюдался интенсивный выход парогазовой смеси.

Рис. 70. Вольтамперные характеристики плазмоэлектролитического процесса при расходе раствора КОН: 1 – 3,6 л/ч; 2 – 8,2 л/ч; 3 – 12,2 л/ч

Зависимость между изменением тока и напряжения (рис. 69) линейна в интервале изменения напряжения от нуля до 43В, примерно. В этом диапазоне чётко работает закон Ома (49) и чётко определяется величина средней мощности, реализуемой на этот процесс. При большем напряжении линейная зависимость между напряжением и током исчезает и нарушается работа линейного закона Ома (49). Нелинейную зависимость между напряжением и током невозможно описать классическим законом Ома (49). А как же тогда учитывать электрическую энергию, потребляемую в этом случае, если приборы для измерения напряжения и тока базируются на линейном изменении напряжения и тока, следующего из линейного закона Ома? Можно ли доверять в таких случаях показаниям приборов?

Специалисты давно заметили, что на отдельных участках электрической цепи теряется линейная зависимость между током и напряжением, и начали вводить математические модели для описания нелинейных процессов. Но их разнообразие оказалось настолько большим, что исключается возможность получения единой математической модели для их описания. Как мы уже отметили, за решение столь сложной проблемы взялись математики. Учитывая важность понимания процесса формирования их ошибки, повторим его описание. Они выразили закономерность изменения напряжения в виде функции , а закономерность изменения тока в виде функции . В результате формула для расчёта средней величины мощности приняла вид (32).

Однако, в реальности закономерности изменения напряжения и тока оказываются настолько сложными (рис. 71 и 72), что полностью исключается возможность их аналитического описания, поэтому процесс аналитического решения уравнения (32) заменяется процессов его графического интегрирования. Суть его заключается в том, что измеряются ординаты функций напряжения (рис. 71) и, соответствующие им ординаты функции тока . Затем эти ординаты перемножаются и их произведения складываются. При этом учитывается количество произведений за заданный промежуток времени. Потом сумма произведений ординат делится на количество этих произведений и в результате получается величина средней мощности (32). Сразу возникает вопрос: каким образом в знаменателе конечного выражения формулы (32) появляется скважность импульсов тока ? Прежде чем искать ответ на этот вопрос, обратим внимание на особенности осциллограмм, представленных на рис. 71 и 72.

На рис. 71, 72 и 73 представлены осциллограммы напряжения, тока и мощности, снятые на клеммах плазмоэлектролитической ячейки. Конечно, средние значения напряжения и тока, представленные на осциллограммах (рис. 71 и 72), можно получить с помощью электронной математической программы, базирующейся на уравнении (32). Такие программы давно существуют и позволяют получать указанные значения напряжения и тока, и определять среднюю величину мощности. Электронная программа автоматически выдаёт среднюю величину мощности . На рис. 73 она представлена сплошной жирной линией с ординатой, примерно, равной 0,80кВт.

Мы уже доказали теоретически и экспериментально, что математическая модель (33) содержит грубейшую физическую ошибку, которая искажает величину средней мощности в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Однако, о какой скважности импульсов напряжения (рис. 71) можно говорить, если оно изменяется непрерывно и не принимает нулевых значений?

Другое дело, ток (рис. 72). Изменяясь хаотически, он принимает нулевые значения. Это главное условие появления скважности импульсов. Каким же образом математическая модель (33) обеспечивает достоверность средней мощности при непрерывно меняющемся напряжении (рис. 71) и хаотически меняющемся токе (рис. 72)? Мы уже ответили на этот вопрос ранее, поэтому представим здесь экспериментальные и практические следствия, следующие из ответа на него.

Рис. 71. Осциллограмма напряжения в сети питания плазмоэлектролитической ячейки

Рис. 72. Осциллограмма тока в цепи питания плазмоэлектролитической ячейки

Уже запатентована серия тепловых ячеек для реализации выявленного энергетического эффекта. На рис. 74– одна из них.

Рис. 73. Осциллограмма мощности в цепи питания плазмоэлектролитической ячейки

Рис. 74. Третья модель ячейки водоэлектрического

генератора тепла (Патент № 2258097)