Принцип работы большинства современных электростанций, от солнечных до атомных, основанный на испарении и конденсации воды.
Механизм преобразования энергии нагретой воды в другой вид энергии впервые существенно реализовал Джеймс Уатт в 1765 году. Вода с помощью солнечной радиации или управляемой атомной реакции нагревается и испаряется, пара движет турбину и вырабатывает электричество.
Потом электроэнергия распределяется и передается с помощью воздушных линий электропередачи и силовых кабельных линий.
Но возникает логичный вопрос. Почему вода? Она дешевая (пока), поглощает много "скрытого тепла" поскольку превращается в пар, производит много электроэнергии, проходя через турбину и, наконец, легко конденсируется обратно в жидкую воду благодаря природным ресурсам хладагентов, таких как реки и различные водозаборы.
Преобразование тепловой энергии в электрическую
Начиная с фундаментальных исследований Никогда Леонара Сади Карно (1824 год), инженеры изучили как использовать испарения и конденсацию воды (т.е. ее фазовое превращение между жидкостью и газом) для генерирования электроэнергии.
Подведение тепла в воду в соответствующей точке цикла и устройства теплообмена в другой точке позволило исследователям наконец использовать все больше энергии из пара. Для этого они упорно проектировали цикл так, чтобы получить максимальную производительность.
Продолжая несколько столетнюю работу тысяч ученых, исследователь Ричард Джеймс из Миннесотского университета и его команда хотят заменить процесс испарения и конденсации воды другим фазовым превращением. Они исследовали возможность использования сплавов металлов (специфических смесей различных элементов), которые называются "мультиферроиками".
Мультиферроики
Мультиферроики - это материалы, которые проявляют хотя бы два из трех "железистых" свойств: ферромагнетизм (свойство железных деталей, намагнитившись, определенное время сохранять магнитные свойства), сенгетоэлектризм (или ферроэлектризм - возникновение спонтанного дипольного момента) или сегнетоэластизм (спонтанная деформация). Естественный путь проявления сегнетооэластизму - это фазовое превращение, в котором одна кристаллическая структура неожиданно разрушается, превращаясь в другую, так называемое мартенситное фазовое превращение.
Вместо превращения воды в пар команда Джеймса из Миннесотского университета предлагает использовать мартенситную фазовую трансформацию, которая естественным путем происходит в некоторых мультиферроиках. Данное исследование проводили также ученые из йельского университета. Используя математическую теорию для мартенситных фазовых превращений, исследователи открыли способ производства таких мультифероикив, которые способны проводить фазовые превращения и прекращать их проведение.
Обычно способность материала к "включению" и "выключению" процессов фазовых превращений гасится характеристикой, именуемой "гистерезис". Гистерезис - это время, необходимое для того чтобы магнетизм металла догнал фазовую смену. Если этот процесс длится слишком долго, он препятствует способности материала к переключению фаз.
Мультиферроики - это материалы, которые проявляют хотя бы два из трех "железистых" свойств: ферромагнетизм (свойство железных деталей, намагнитившись, определенное время сохранять магнитные свойства), сенгетоэлектризм (или ферроэлектризм - возникновение спонтанного дипольного момента) или сегнетоэластизм (спонтанная деформация). Естественный путь проявления сегнетооэластизму - это фазовое превращение, в котором одна кристаллическая структура неожиданно разрушается, превращаясь в другую, так называемое мартенситное фазовое превращение.
Вместо превращения воды в пар команда Джеймса из Миннесотского университета предлагает использовать мартенситную фазовую трансформацию, которая естественным путем происходит в некоторых мультиферроиках. Данное исследование проводили также ученые из йельского университета. Используя математическую теорию для мартенситных фазовых превращений, исследователи открыли способ производства таких мультифероикив, которые способны проводить фазовые превращения и прекращать их проведение.
Обычно способность материала к "включению" и "выключению" процессов фазовых превращений гасится характеристикой, именуемой "гистерезис". Гистерезис - это время, необходимое для того чтобы магнетизм металла догнал фазовую смену. Если этот процесс длится слишком долго, он препятствует способности материала к переключению фаз.
Типы мультиферроиков
Если механизм возникновения ферро- или антиферромагнитного упорядочения одинаков для всех магнетиков и связан обменным взаимодействием электронов d и f орбиталей, то механизмы возникновения сегнетоэлектрического для разных мультиферроиков могут быть совершенно различны. В связи с этим можно вести речь о разных типах мультиферроиков.
Существуют два основых типа мультиферроиков:
Мультиферроики I типа
Магнетизм и сегентоэлектричество возникают независимо друг от друга.
Мультиферроики первого типа исследуются дольше, их открыто большее количество. Для них температура магнитного упорядочения ниже температуры электрического упорядочения. Величина поляризации достаточно высока. Однако связь между двумя типами упорядочения слаба.
Ниже приведены некоторые механизмы возникновения сегнетоэлектрического упорядочения в мультиферроиках I типа.
Смешанные перовскиты
Механизм зарядового упорядочения. Чёрными стрелками показано направление локальной поляризации, красной стрелкой - направление суммарной поляризации.
Мультиферроики II типа
Появление сегнетоэлектрического упорядочения является следствием существования магнитного упорядочения.
Мультиферроикам второго типа свойственны низкие температуры упорядочения. Поскольку сегнетоэлектричество появлется вследствие магнитного упорядочения, температура сегнетоэлектрического перехода всегда ниже температуры магнитного перехода. Величина поляризации низкая. Связь между двумя типами упорядочения сильная.
Появление сегнетоэлектричества в коллинеарных магнетиках
Для его появления сегнетоэлектрического порядка в коллинеарных магнетиках требуется присутствие неэквивалентных магнитных ионов с разными зарядами. Это могут быть ионы разных переходных металлов или ионы одного элемента, но разной валентности. Магнитная структура инверсно-симметрична и зарядовая тоже, но их центры симметрии различны. Таким образом, система в целом теряет элемент симметрии и может стать сегнетоэлектрической.
Появление сегнетоэлектричества в неколлинеарных магнетиках
В настоящее время в литературе существуют две теории, объясняющие возникновения сегнетоэлектричества в неколлинеарных магнетиках
Одна объясняет появление поляризации фрустрированным магнитным состоянием. При конкуренции двух типов обменного взаимодействия устанавливается волна спиновой плотности определённого вида. Пока эта волна инверсно-симметрична, поляризации нет. При дальнейшем понижении температуры симметрия волны понижается, и поляризация приобретает отличное от нуля значение.
Другая модель предполагает, что сегнетоэлектрическое упорядочение в такого вида мультиферроиках появляется вследствие упорядочения Дзялошинского-Мория.
У многих антиферромагнетиков особенности кристаллической структуры таковы, что атомы, относящиеся в подрешёткам с противоположно направленными намагниченностями, находятся в не совсем эквивалентных кристаллографических положениях. По этой причине, силы магнитной анизотропии, ответственные за ориентацию магнитных моментов относительно кристаллографических осей, могут оказаться для этих атомов неодинаковыми. В результате намагниченности подрешёток станут неколлинеарными, нарушится их точная взаимная компенсация и возникнет небольшая спонтанная намагниченность. Явление возникновения этой спонтанной намагниченности было названо слабым ферромагнетизмом. Его теоретическое описание было дано Дзялошинским, а затем дополнено, поэтому тип анизотропного взаимодействия в антиферромагнетике, приводящий к возникновению слабого ферромагнетизма называют эффектом Дзялошинского-Мориа.
Известные неколлинеарные мультиферроики второго типа являются манганитами.
В результате эффекта Дзялошинского-Мориа происходит смещению ионов О, расположенных между ионами Mn. При этом оказывается, что в спиральном состоянии взаимодействие Дзялошинского-Мориа смещает все кислороды в одном направлении, перпендикулярном спиновой цепочке. Поскольку ионы кислорода заряжены отрицательно, а ионы марганца, образующие спиновую цепочку, положительно, возникает электрическая поляризация.
Если механизм возникновения ферро- или антиферромагнитного упорядочения одинаков для всех магнетиков и связан обменным взаимодействием электронов d и f орбиталей, то механизмы возникновения сегнетоэлектрического для разных мультиферроиков могут быть совершенно различны. В связи с этим можно вести речь о разных типах мультиферроиков.
Существуют два основых типа мультиферроиков:
Мультиферроики I типа
Магнетизм и сегентоэлектричество возникают независимо друг от друга.
Мультиферроики первого типа исследуются дольше, их открыто большее количество. Для них температура магнитного упорядочения ниже температуры электрического упорядочения. Величина поляризации достаточно высока. Однако связь между двумя типами упорядочения слаба.
Ниже приведены некоторые механизмы возникновения сегнетоэлектрического упорядочения в мультиферроиках I типа.
Смешанные перовскиты
Можно просто перемешать системы с магнитными ионами и ионами с пустыми d-оболочками. По этому пути пошли Смоленский и его группа, получившие целый ряд мультиферроиков), которые были сегнетоэлектриками и антиферромагнетиками одновременно.Одиночные пары
В некоторых перовскитах за сегнетоэлектрическое упорядочение отвечает не ион переходного металла, а А-ион. Это случается, например, в BiFeO3, BiMnO3 или PbVO3, имеющих в своей структуре в качестве А-ионов Bi или Pb. В них есть два 6s электрона, называемые одиночной парой, которые не участвуют в образовании химической связи. При упорядочении этих ненасыщенных связей происходит переход в сегнетоэлектрическое состояние.Зарядовое упорядочение
Механизм зарядового упорядочения. Чёрными стрелками показано направление локальной поляризации, красной стрелкой - направление суммарной поляризации.
При димеризации системы может сложиться ситуация, когда узлы остаются эквивалентными, но связи между узлами неодинаковы: одни более сильные, другие более слабые, то есть распределение электронной плотности неравномерное. Между связями с разной величиной заряда возникает дипольный момент, реализуется зарядовое упорядочение на связях. Однако инверсная симметрия не нарушается и система остаётся неполярной.
Мультиферроики II типа
Появление сегнетоэлектрического упорядочения является следствием существования магнитного упорядочения.
Мультиферроикам второго типа свойственны низкие температуры упорядочения. Поскольку сегнетоэлектричество появлется вследствие магнитного упорядочения, температура сегнетоэлектрического перехода всегда ниже температуры магнитного перехода. Величина поляризации низкая. Связь между двумя типами упорядочения сильная.
Появление сегнетоэлектричества в коллинеарных магнетиках
Для его появления сегнетоэлектрического порядка в коллинеарных магнетиках требуется присутствие неэквивалентных магнитных ионов с разными зарядами. Это могут быть ионы разных переходных металлов или ионы одного элемента, но разной валентности. Магнитная структура инверсно-симметрична и зарядовая тоже, но их центры симметрии различны. Таким образом, система в целом теряет элемент симметрии и может стать сегнетоэлектрической.
Появление сегнетоэлектричества в неколлинеарных магнетиках
В настоящее время в литературе существуют две теории, объясняющие возникновения сегнетоэлектричества в неколлинеарных магнетиках
Одна объясняет появление поляризации фрустрированным магнитным состоянием. При конкуренции двух типов обменного взаимодействия устанавливается волна спиновой плотности определённого вида. Пока эта волна инверсно-симметрична, поляризации нет. При дальнейшем понижении температуры симметрия волны понижается, и поляризация приобретает отличное от нуля значение.
Другая модель предполагает, что сегнетоэлектрическое упорядочение в такого вида мультиферроиках появляется вследствие упорядочения Дзялошинского-Мория.
У многих антиферромагнетиков особенности кристаллической структуры таковы, что атомы, относящиеся в подрешёткам с противоположно направленными намагниченностями, находятся в не совсем эквивалентных кристаллографических положениях. По этой причине, силы магнитной анизотропии, ответственные за ориентацию магнитных моментов относительно кристаллографических осей, могут оказаться для этих атомов неодинаковыми. В результате намагниченности подрешёток станут неколлинеарными, нарушится их точная взаимная компенсация и возникнет небольшая спонтанная намагниченность. Явление возникновения этой спонтанной намагниченности было названо слабым ферромагнетизмом. Его теоретическое описание было дано Дзялошинским, а затем дополнено, поэтому тип анизотропного взаимодействия в антиферромагнетике, приводящий к возникновению слабого ферромагнетизма называют эффектом Дзялошинского-Мориа.
Известные неколлинеарные мультиферроики второго типа являются манганитами.
В результате эффекта Дзялошинского-Мориа происходит смещению ионов О, расположенных между ионами Mn. При этом оказывается, что в спиральном состоянии взаимодействие Дзялошинского-Мориа смещает все кислороды в одном направлении, перпендикулярном спиновой цепочке. Поскольку ионы кислорода заряжены отрицательно, а ионы марганца, образующие спиновую цепочку, положительно, возникает электрическая поляризация.
Исследование сплавов
Как выразился руководитель исследований, ключевая идея их команды заключается в подборе соотношения материалов сплава таким образом, чтобы их кристаллическая структура идеально подходила друг другу. Когда это будет осуществлено, гистерезис фазовых трансформаций значительно снизится.
Даже после обнаружения первых сплавов с низким гистерезисом, вся идея базировалась исключительно на теории. Поэтому для того, чтобы проверить это исследователям нужно было наблюдать идеальную поверхность раздела фаз в их сплавах. Для этого они обратились за помощью к научной лаборатории материаловедения, где с применением электронного микроскопа обнаружили ожидаемую поверхность раздела между двумя фазами.
Даже после обнаружения первых сплавов с низким гистерезисом, вся идея базировалась исключительно на теории. Поэтому для того, чтобы проверить это исследователям нужно было наблюдать идеальную поверхность раздела фаз в их сплавах. Для этого они обратились за помощью к научной лаборатории материаловедения, где с применением электронного микроскопа обнаружили ожидаемую поверхность раздела между двумя фазами.
Сплавы Гейслера
Сплавы Гейслера обладают магнитными свойствами даже в том случае, когда металлы, из которых они состоят, не являются ферромагнетиками. Названы такие сплавы в честь немецкого инженера Фридриха Гейслера, который первым сообщил, что Cu2MnSn (медь-марганец-олово) имеет магнитные свойства, хотя отдельно ни медь, ни марганец, ни олово не является магнетиком. Это удивительное свойство проявлять магнетизм также обусловлено мартенситными фазовыми превращениями.
В своих исследованиях ученые сравнивали гистерезис каждого сплава, начиная от Ni2MnSn и постепенно меняя состав, вплоть до Ni45Co5Mn40Sn10. Последний сплав просто удивительный. При низких температурах он не проявляет никаких магнитных свойств, а при повышении становится почти таким же сильным магнетиком как железо. Исследователи немедленно поняли, что сплав может действовать как вода на электростанции, переходя из одной фазы в другую.
Если такой сплав поместить в катушку и нагреть до фазового превращения, внезапное изменение магнитности индуцирует ток в катушке. Также в процессе сплав поглощает определенное количество скрытого тепла. Такой сплав замечателен тем, что превращает тепло непосредственно в электроэнергию.
Революционизирование электростанций
Последствия изобретения такой технологии выглядят очень перспективными. Электростанции не потребуют массивных сосудов под давлением, многочисленных трубопроводов и теплообменников для перемещения горячей воды. А благодаря тому, что температура фазового превращения может подгоняться под определенный диапазон, становится возможным использование многочисленных земных энергоресурсов с небольшой разницей температур. Можно помечтать даже об использовании различия температур между поверхностью океана и его глубинами.
Кроме магнетизма существует еще много физических свойств, которые могут быть отличными в различных фазах и которые можно использовать для производства электроэнергии из тепла.
Источник: mirnt.ru
Свежие комментарии