ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА

Доронин Андрей Евгеньевич

Студент 3 курса, специальность 140613 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования», БОУ СПО ВО «Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова», Вологодская область, г. Череповец

E-mail: nataliadili@yandex.ru

Дилигенская  Наталия Михайловна

научный руководитель, ФГОУ СПО «Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова», Вологодская обл., г. Череповец

Кислород — самый распространенный химический элемент на Земле. Кислород образует 1364 минерала (силикаты — полевые шпаты, слюды, кварц, которые являются диэлектрическими материалами, а также оксиды железа, карбонаты и сульфаты). Жидкий кислород — очень сильное вещество продукта окисления и является обычным жидким топливом окислителя в ракетах, применяется в комбинации с керосином или водородом [5, с. 17].

Цель работы «Исследование электрических свойств жидкого кислорода» заключается в выявлении общих электрических свойств жидкого кислорода для использования его в электрооборудовании в качестве диэлектрического материала.

Актуальность темы исследования заключается в том, что активное применение электрических свойств жидкого кислорода позволит повысить надежность электрооборудования, эксплуатируемого в условиях климата Вологодской области. Проблема исследования: заключается в определении роли электрических свойств жидкого кислорода для увеличения надежности электрооборудования.

Объект исследования: жидкий кислород.

Предмет исследования: значение электрических свойств жидкого кислорода.

Гипотеза исследования: если при проектировании электрооборудования учитывать электрические свойства жидкого кислорода, то область его применение в промышленности  можно значительно расширить.

 Работа состоит из введения, из трех глав, заключения, социальной оценки исследования, списка используемой литературы и приложений. Во введении показана актуальность теоретического исследования, определены цели и задачи, предмет исследования, а также обозначена проблема исследования. В первой главе представлена историческая справка по теме исследования. Во второй главе описываются свойства кислорода, представлены общие сведения о жидком кислороде, проанализированы парамагнитные свойства жидкого кислорода, рассмотрены особенности электропроводимости жидкого кислорода, показано влияние электрических свойств жидкого кислорода на надежность электрооборудования, эксплуатируемого в условиях русского Севера, а также описано влияние температуры на жидкий кислород. Третья глава посвящена описанию исследованию металлической фазы жидкого кислорода. В заключении сделаны выводы о путях возможного применения жидкого кислорода в электрооборудовании на территории Вологодской области, а так же описаны результаты опыта, проведенного в лаборатории. Список литературы составляют источники. Приложения наглядно дополняют проведенное исследование проблемы.

Из анализа теоретического исследования можно сделать вывод, что надежность работы оборудования, эксплуатируемого в условиях климата Вологодской области, зависит от электрических свойств жидкого кислорода и внешних факторов, а при определенном значении давления жидкий кислород из состояния диэлектрика переходит в состояние металла. Кроме того, жидкий кислород во время работы подвергается электрическому пробою [1, c. 155]. Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электронов, а затем плазменный канал замыкает электроды в электрооборудовании. Это явление недопустимо в электрооборудовании, особенно на металлургических и химических предприятиях Вологодской области.

При проведении исследования было определено, что возможность образования зарядов статического электричества в жидком кислороде обусловливается наличием в нём твёрдых частиц. Величина напряжённости движения частиц в жидком кислороде зависят от количества примесей и их природы, а знак электрических зарядов — от природы примесей. Кроме того, наличие в жидком кислороде частиц активного глинозема и двуокиси углерода приводит к электризации жидкого кислорода с отрицательным знаком заряда, тогда как наличие частиц силикагеля приводит к электризации с положительным знаком [3, с. 105]. Можно сделать вывод, что наличие слоя газа на электродах в электрооборудовании образует участок с большим тепловым сопротивлением на пути потока теплоты.

Молекулы жидкого кислорода обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле [4, c. 42]. Поэтому, отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.

В 2001 году английским химиком Д. Гамильтоном совместно с французскими учеными было проведено детальное экспериментальное изучение жидкого кислорода и, впервые была четко зафиксирована металлическая фаза жидкого кислорода. Эксперименты проводились при давлениях от 0,3 до 1,9 Мбар (при таких давлениях объем образца уменьшается в несколько раз) и температурах вплоть до 7000 К. Такие условия достигались при адиабатическом сжатии капельки холодного жидкого кислорода, зажатой между двумя кристаллами сапфира. Ударное воздействие на кристаллы сапфира порождало ударную волну, которая, многократно отражаясь и возвращаясь, сжимала образец. Так как воздействие было кратковременным, то высокое давление существовало лишь в течение 100—200 наносекунд, однако, и этого было достаточно, чтобы исследовать электропроводность образца.

Анализ проведенного эксперимента позволяет сделать выводы, что, во-первых, резкое падение сопротивления в районе 0,5 Мбар в миллион раз, а во-вторых, некое «плато» при давлениях более 1 Мбар (практически постоянное сопротивление). Кроме того, было доказано, что сила тока остается постоянной, в то время как напряжение сильно падает. Также, заметно, что при снятии давления металлическая фаза исчезает. На рисунке 1 приведены результаты эксперимента. Светлые точки на рисунке — результаты описываемого эксперимента.

Рисунок 1. Зависимость удельного электрического сопротивления жидкого кислорода от давления

Полученные результаты можно объяснить следующим образом. При обычных давлениях жидкий кислород — это диэлектрик. То есть все электроны находятся в узких, полностью заполненных энергетически разрешенных зонах, лежащих существенно ниже по энергии уровня Ферми [2. с. 279]. С повышением давления электронная структура меняется: уровни уширяются, и при некотором давлении могут достичь и уровня Ферми. Но в данном случае мы имеем дело с жидкостью, а не с кристаллом, электроны вблизи уровня Ферми сидят в определенных локализованных состояниях, а потому не могут участвовать в проводимости. Для того чтобы попасть в континуум и стать делокализованными, необходимо преодолеть некий активационный потенциальный барьер. Именно игра двух параметров: высоты потенциального барьера (величины энергии активации) и температуры определяет наблюдаемое поведение электрического сопротивления. Также обращает на себя тот факт, что при небольших давлениях энергия активации велика, и потому лишь небольшая часть электронов перекидывается в континуум. В результате проводимость незначительна. Однако с ростом давления энергия активации падает, что и приводит к быстрому росту проводимости. Когда же энергия активации становится порядка температуры и ниже, то уже практически все электроны с энергией, близкой к энергии Ферми, находятся в континууме. Именно поэтому график сопротивления выходит на константу: проводимость насыщается. При более высоких температурах, порядка 6500 К, вещество начинает диссоциировать и фактически превращаться в электролит. Именно поэтому происходит падение сопротивления.

Выводы:

1.  При определенной температуре под действием жидкого кислорода проводниковый материал теряет пластичность, ковкость, а под нагрузкой механическая сопротивляемость материала падает. На территории Вологодской области зафиксированы температуры в зимний период до — 48 градусов. Поэтому, при работе с жидким кислородом желательно применяют фтропласты, винипласты, специальные сорта резины из изопренового каучука.

2.  Исследователями четко зафиксирован переход диэлектрик-металл в жидком кислороде. Эти результаты могут найти применение в исследованиях внутренней структуры планет — газовых гигантов. Условия, полученные в лабораториях, близки к существующим условиям в центре таких планет. А также результаты исследования частично можно использовать на химическом предприятии области ОАО «Фос-Агро».

3.  На предприятиях Вологодской области кислород используют как окислитель [6]. В металлургии (ОАО «Северсталь») — при выплавке чугуна и стали, в доменном, кислородно-конвертерном и мартеновском производствах, а также в процессах шахтной, взвешенной и конвертерной плавки цветных металлов; в прокатном производстве; при огневой зачистке металлов; в литейном производстве; при термитной сварке и резке металлов; в химической  промышленности при производстве HNO3, H2SO4, метанола, ацетилена; формальдегида, оксидов, пероксидов и других веществ.

Список литературы:

1.Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Новотельнов В.Н., Зайцев А.В. Теплофизические свойства криопродуктов. Учебное пособие для ВУЗов. СПб.: Политехника, 2001. — 243 с.

2.Березин В.Б, Прохоров Н.С, Рыков Г.А. Электротехнические материалы: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1983 — 504 с.

3.Журавлева Л.В. Электроматериаловедение: Учеб. Для нач. проф. Образование: Учеб. Пособие для сред. Проф. Образования. М.: Издательский центр «Академия», 2004 — 312 с.

4.Клод Ж. Жидкий воздух. Л: Научное химико-техническое издание «Всехимпром ВСНХ», 1930.

5.Справочник по электротехническим материалам. С 72 В. 3 т. Под ред. Корицкого Ю.В. и др. Т. 1. Изд. 2-е, перераб. М.: Энергия, 1974.

6.Профиль компании Severstal North America — 2012. — № 6. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.severstal.com/rus/businesses/international/north_american/dearbn