电场作用（精选10篇）
电场作用 篇1
1 前言
目前,皮革的染色一般采用酸性染料和直接染料直接进行染色,存在手感粗糙、色牢度差和染色时间长等缺点,更严重的是上染率低,排放大量染色废水,污染环境[1]。随着皮革工业的发展,国内外对制革产品提出了更高、更新的要求,促使皮革工艺不断得以改进。如何提高上染率,减少能耗和环境污染,已成为制革业迫切需要解决的问题[2,3]。由于绝大多数染料在水中能电离成阴阳离子,因此,可以利用离子在电场作用下的定向移动效应,引入电化学技术。在外电场作用下,促使染料离子向电荷相反的电极方向移动,不需要加染色助剂就能使染料分子与纤维分子紧密结合,使染料向纤维表面的扩散系数变大,纤维上染时间压缩,上染百分率大幅度得到提高,染料用量得以控制,染色残液排放量减少,环境污染程度降低[4,5]。本文采用直接染料在直流电场作用下进行皮革染色试验,并探讨了时间、温度和电压对电场作用下的上染率的影响。
2 试验部分
2.1 主要材料及仪器设备
2.1.1 主要实验材料
牛皮蓝皮坯革,实验室自制;Syntan TKM,京伟(中国)有限公司;AF1.35%,科莱恩化工中国有限公司;铬粉,浙江兄弟化工有限公司;乙酸钠,化学纯,成都科龙试剂厂;85%草酸,化学纯,成都科龙试剂厂;小苏打,化学纯,成都科龙试剂厂;甲酸,化学纯,成都科龙试剂厂。
2.1.2 主要仪器设备
电子天平,江苏常熟双杰测试仪器厂;GSD型不锈钢比色试验转鼓,无锡市新达轻工有限公司;石墨电极,成都新蜀西科试验设备有限公司;电解槽,成都新蜀西科试验设备有限公司;752紫外光光栅分光光度计,上海第三分析仪器厂;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州长城科工贸有限公司;LW3J2型直流稳压稳流电源,上海全力电器有限公司;BM901型万用表,深圳市滨江电子科技有限公司。
2.2 试验方法
2.2.1 实验原理
染色过程实质是染料分子和革纤维发生相互作用,而结合或附着在革纤维上,这是物理与化学作用的总效应。这种作用有氢键、范德华力、盐键、共价键、配位健等。借助于这些作用,染料从染液转移到革纤维上去,最后达到平衡[6]。为实现上述染色过程,常规或传统染色会出现上染率不高,残液的污染较大,给环境造成了很大的麻烦。多数皮革染料分子在水中均能电离成正或负离子,当染浴中加以电极通电后,正负离子必将发生定向移动,外加电场的存在,能有力地促使染料离子向电荷相反电极移动,从而强化了染料离子与革纤维之间的作用力,达到促进染色的目的[2]。
2.2.2 试验内容
采用鞣制后的牛皮坯革进行试验。将坯革挤水、称重作为以下试验用料依据,经过复鞣中和后,将坯革剪成小皮块(0.1 cm×0.1 cm)置于装有石墨电极的电解槽中进行染色对比试验,实验装置见图1,改变染色温度(30、40、50℃)以及电压值(0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30 V),每5 min测定一次染液的吸光度,与常规染色进行对比实验,比较在不同的工艺条件下上染率的变化情况。
2.2.3 工艺流程
蓝皮挤水称重-水洗-漂洗-铬复鞣-水洗-中和-水洗-染色-固色-晾干
因主要考察电场作用下单一染料的染色效果,故在染色工段不加入任何助剂。
2.2.4 染料的最大吸收波长的测定
将染料稀释100倍后,吸取5 mL用分光光度计测定其最大吸收波长,测得λmax=456.2 nm。
1.直流稳流电源2.万用表3.电流表4.小皮块5.石墨电极6.电解槽7.染浴8.恒温加热磁力搅拌器
2.2.5 上染率测定
取染色前后染液,稀释100倍,用752型紫外光光栅分光光度计,在最大吸收波长处测染色前和染色过程中的染液的吸光度,根利用下面公式计算不同染色时间时染料的上染率Ct(%)[7]:
其中:Ao为空白染浴的吸光度;Ai为不同时间的染色残液的吸光度。
3 结果与讨论
3.1 上染率随时间的变化关系
为考察电场作用下上染率随时间的变化情况,将染色温度设定为30、40和50℃,通过改变电解槽两端电极的电压值,每隔5 min测一次染液的吸光度,计算出上染率作图,图2为不加电压时,染色温度为30、40和50℃时染色的上染率与时间的关系图,图3、4和5为染色电压在3～30 V的关系图。
从图2中可以看出,不加电压的染色即常规染色过程中,上染率随时间的增加呈线性关系,且温度越高,上染的速度越快,相同时间内,上染率增加量随温度升高而增加;图3、4和5显示电场作用于染色过程之后,上染速率较不加电压的常规染色有较大提高,且上染率提高的幅度增大,30 min后基本上达到染色平衡后,达到平衡后上染率增加缓慢。
3.2 温度对上染率的影响
为考察电场作用下温度对上染率的影响,选30、40和50℃进行试验,比较染色40 min后和固色后的上染率,见表1和表2。
由表1和表2可以看出,对该染料而言,温度升高,上染率增大,当温度升至40℃后,上染率增加的幅度减小,从节约能源的角度考虑,选取染色的温度为40℃;由图3、4和5可以看出,温度对到达染色平衡的时间也有影响,温度越高,到达平衡越快,因此可以通过适当提高染色温度节省时间。
3.3 电压对上染率的影响
为考察电压对上染率的影响,设定染色中电压值为0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30 V进行对比试验,根据染色40 min和固色后的吸光度,计算出染色过程的上染率,上染率与电压的关系如图6和图7所示。
由图6和图7可知,在染色过程中加入电场作用,可以促进染料的吸收上染,提高上染率。本实验中的直接染料的上染率随着电压的增大而提高,0-30 V的试验中,电压为24 V时固色后的上染率最大,达到99.83%,电压超过24 V后上染率增长缓慢。
4 结论
1)电场作用有利于染色:相对于常规染色,直接染料AF1.35%在电压为24 V的工艺条件下,染色40 min后上染率提高了18.46%,在固色后上染率达到99.83%。
2)电场作用下的染色过程,温度对染色的影响较大,温度越高,上染率越大,上染速度快,有利于尽早达到染色平衡。
3)电场作用下,该染料的上染率随电压的增大而增大,电压为24 V时上染率最大,电压超过24 V之后上染率增大幅度下降,之所以出现这种现象,可以认为是,在不同的电压作用下,势料分子与纤维分子间力也会随之发生变化,导致染液性质被破坏。对于上染率与电压之间的关系,影响因素颇多,还有待于进一步探讨。
参考文献
[1]倪铸鼎,王盛才.染整厂节能概要[C].全国纺织工程学会染整专业委员会染整节能学术论文资料选辑,1985:67
[2]高淑珍,赵欣.生态染整技术[M].北京:化学工业出版,2003:56.
[3]单志华.制革化学与工艺学(下)[M].北京:科学出版社,2005.
[4]赵欣,曹向禹,冯云生.皮革的电化学染色初探[J].齐齐哈尔大学学报,1998,14(3):67-71.
[5]佟白,高淑珍,李洋.织物的电化学染色[J].印染,1993,19(12):5-9.
[6]张壮余,吴祖望.染料应用[M].北京:化学工业出版,1991:7
[7]金咸穰.染整工艺实验[M].北京:纺织工业出版社,1987.
《电场》单元检测题 篇2
1．关于点电荷、元电荷、检验电荷，下列说法正确的是 （ ）
A．点电荷是一种理想化的物理模型
B．点电荷所带电荷量一定是元电荷电荷量的整数倍
C．点电荷所带电荷量一定很小
D．点电荷、元电荷、检验电荷是同一种物理模型
2.下列说法中正确的是（ ）
A．只有固体与固体之间相互摩擦，才会摩擦起电
B．把A物体和B物体摩擦，结果A物体带负电，B物体带正电．由此可以断定它们的原子核束缚电子的本领一定是A比B强
C．用丝绸摩擦过的玻璃棒靠近一个用细线吊起的塑料小球，小球被排开，小球一定带正电
D．分别用丝线吊起甲、乙两小球，互相靠近时若互相吸引，则它们一定带有异种电荷
3．图1中金属平板P的中垂线上放置正点电荷Q，比较金属平板边缘上a、b、c三点场强的方向，下列说法正确的是（ ）
A．三点场强方向都相同
B．三点场强方向不相同
C．三点中有两点场强相同
D．只有b点场强与表面垂直
4．如图2所示，把一带正电小球放在光滑绝缘斜面上，欲使小球a能静止在斜面上，需在MN间放一带电小球b，则b应( )
A．带负电，放在A点
B．带正电，放在B点
C．带负电，放在C点
D．带正电，放在C点
5．如图3所示，在电场强度为E、方向水平向右的匀强电场中，A、B为一竖直线上的两点，相距为L，外力F将质量为m、带电荷量为q的粒子从A点匀速移到B点，重力不能忽略，则下列说法中正确的是（ ）
A．外力的方向水平
B．外力的方向竖直向上
C．外力的大小等于qE+mg
6．如图4所示，A、B为两个固定的等量的同种正电荷，在它们连线的中点处有一个可以自由运动的正电荷C，现给电荷C一个垂直于连线的初速度v0，若不计电荷C所受的重力，则关于电荷C运动过程中的速度和加速度情况，下列说法正确的是（ ）
A．加速度始终增大
B．加速度先增大后减小
C．速度先增大后减小
D．速度始终增大
7．如图5所示，在水平向左的匀强电场中，一根细线一端系一个质量为m的带正电的小球，另一端固定在O点。现在让细线水平绷直，小球从A点由静止开始摆下，小球能达到并通过最低点B。则小球在最低点B处细线的拉力可能是( )
A.0.5mg B.1.5mg
C.2.5mg D.3.5mg
8．A、B两导体板平行放置，在t＝0时将电子从A板附近由静止释放。则在A、B两板间加上下列如图6所示的哪个电压时，有可能使电子到不了B板 ：（ ）
9．一个劲度系数为k、由绝缘材料制成的轻弹簧，一端固定，另一端与质量为m、带正电荷q的小球相连，静止在光滑绝缘水平面上，当加入如图7所示的场强为E的匀强电场后，小球开始运动，下列说法正确的是（ ）
A．球的速度为零时，弹簧伸长qE／k
B．球做简谐运动，振幅为qE／k
C．运动过程中，小球的机械能守恒
D．运动过程中，小球的电势能、动能和弹性势能相互转化
10．如图8所示，A、B为平行金属板，两板间相距d，分别与电源两极相连，两板的中央各有一个小孔M和N。今有一带电油滴，质量为m，从A板的上方距A板为d的P点由静止开始自由下落（P、M、N在同一竖直线上），空气阻力忽略不计，带电油滴通过N孔时的动能Ek<2mgd。若将极板A向上移动一小段距离，到图中虚线所示位置，则带电油滴通过N孔时的动能E′k和油滴所带电荷的种类是( )
Ａ．油滴带正电，E′k=Ek
Ｂ．油滴带正电，E′k
Ｃ．油滴带负电，E′k=Ek
Ｄ．油滴带负电，E′k
11．A、B是某电场中一条电场线上的两点，一正电荷仅在电场力作用下，沿电场线从A点运动到B点，速率图象如图9所示. 下列关于A、B两点电场强度E的大小和电势 的高低的判断，正确的是（ ）
A．EA＞EB
B．EA＜EB
C．φA＜φB
D．φA＞φB
12．竖直墙面光滑且绝缘，地面粗糙也绝缘，小球AB带有同种电荷，用指向墙面的水平力F作用于小球B。两球分别静止在竖直墙面和水平地面上，如图10所示，若将小球B向左推动少许，当两球重新达到平均时，作用于B的水平力仍为F，与原来的平衡状态相比较（ ）
A．地面对B球摩擦力变大
B．地面对B球支持力不变
C．竖直墙面对小球A的弹力变大
D．AB两球之间距离变大
二、填空题
13．（1）在用电流场模拟静电场描绘电场等势线的实验中，给出下列器材，应选用是______（用字母表示）。
A．6V的交流电源
B．6V的直流电源
C．100V的直流电源
D．量程0～0.5V，零刻度在刻度盘中央的电压表
E．量程0～300μA，零刻度在刻度盘中央的电流表
（2）该实验装置如图11所示，如果以a、b两个电极的连线为x轴，以a、b连线的中垂线为y轴，并将一个探针固定置于y轴上的某一点，合上开关S，而将另一探针由O点左侧沿x轴正方向移到O点右侧的过程中，灵敏电流表G的指针与零刻度夹角的变化情况是__________。
A．逐渐增大
B．逐渐减小
C．先变大后变小
D．先变小后变大
14. 如图12所示，一质量为m，带电量为+q的小球，用长为L的绝缘线悬挂在水平向右的匀强电场中，开始时把悬线拉到水平，小球在位置A点。然后将小球由静止释放，球沿弧线下摆到α=60°的B点时小球速度恰好为零.则匀强电场的场强的大小E=_________。
15．如图13所示，水平放置的平行金属板的B板接地，A、B两板间的电势差为+U，两板间为匀强电场，间距为d。在两板之间有一长为l的绝缘轻杆，且l
16．如图14所示，ABCD为匀强电场中相邻的四个等势面，一个电子垂直经过等势面D时动能为20eV，经过等势面C时的电势能为-10eV，到达等势面B时速度恰好为零，已知相邻等势面间距离为5cm，则: A等势面的电势为____V；匀强电场的场强为____V/m。
17．如图15所示，在倾角为θ=37°的斜面两端，垂直于斜面方向固定两个弹性板，两板相距d=2m，质量为m=10g，带电量为q=+1×10－7C的物体与斜面间的动摩擦因数为μ=0.2，物体从斜面中点以大小为v0=10m/s的速度沿斜面开始运动.若物体与弹性板碰撞过程中机械能不损失，电量也不变，匀强电场（方向与斜面平行）的场强E=2×106N/C，则物体在斜面上运动的总路程S=_______。（g取10m/s2sin37°=0.6cos37°=0.8）
三、计算题
18．如图16所示，用长L=0.50m的绝缘轻质细线，把一个质量m=1.0g带电小球悬挂在带等量异种电荷的平行金属板之间，平行金属板间的距离d=5.0cm，两板间电压U=1.0×103V。静止时，绝缘线偏离竖直方向θ角，小球偏离竖直距离a=1.0cm。（θ角很小，为计算方便可认为tanθ≈sinθ，取g=10m/s2，需要求出具体数值，不能用θ角表示）求：
（1）两板间电场强度的大小；
（2）小球带的电荷量。
（3）若细线突然被剪断，小球在板间如何运动？
19．如图17所示，将平行板电容器极板竖直放置，两板间距离d=0.1m，电势差U=1000V，一个质量m=0.2g，带正电q=10－7C的小球（球大小可忽略不计），用l=0.01m长的丝线悬于电容器极板间的O点。现将小球拉到丝线呈水平伸直的位置A，然后放开。假如小球运动到O点正下方B点处时，线突然断开。
(1)求小球运动到O点正下方B点处刚要断时线的拉力
(2)以后发现小球恰能通过B点正下方的C点，求B、C两点间的距离。（g取10m/s2）
20．如图18所示，一质量为1×10-4kg,带电量为5×10-6C的带电粒子在一加速电压为1×105V的电场中，从静止开始加速,飞出电场后水平击中静止在光滑圆弧底端的小木块，并随小木块一起以5m/ s的速度向前滑行，已知水平轨道AB＝10m，与木块的动摩擦因素μ＝0.5，BC是半径R＝300m的光滑圆弧轨道。试求：
（1）带电粒子经加速电场加速后的速度大小;
电场作用对明胶溶液性质影响研究 篇3
明胶是Ⅰ型胶原的水解产物,固态时为一种无色(或略带浅黄色)、无味、半透明、坚硬的非晶态物,不溶于有机溶剂,可溶于水。它的相对分子质量不均一,分布为1.5万～37万。明胶溶于水之后具有两性聚电解质的特性,等电点是明胶的一个重要性质[1]。透明度及黏度是表征明胶溶液的光学性质和分子结构状态,对明胶分子的存在形态和物理化学性质变化有重要的影响[2]。电化学氧化技术近年来广泛用于环境科学。在电流作用下阳极具有强烈的氧化作用,能将有机物氧化成小分子中间体或CO2,其方式可以分为直接阳极氧化作用和间接氧化作用,阴极对有机物的作用并不明显[3]。本试验通过外加直流电场,研究明胶溶液物理化学性质在作用前后发生的变化及规律,并进一步探讨作用机理。
1 试验部分
1.1 主要试验材料及仪器设备
主要试验材料:明胶、冰乙酸、乙酸钠、浓硫酸、浓盐酸、乙醇、氢氧化钠、氯化钠、硫酸钠,以上试剂均为分析纯,由成都市科龙化工试剂厂生产。
主要仪器设备:电子天平,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;pH计,上海精密科学仪器有限公司;集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州长城科工贸有限公司;752紫外光光栅分光光度计,尤尼柯(上海)仪器有限公司;浊度仪,上海第三光学仪器厂;直流稳压电源,上海力友电器有限公司;电流表,温州市鹿城百里电表厂;石墨电极(6.0cm×4.8cm×0.4cm)、电解槽(6.2cm×5.2cm×5.0cm)、阳离子膜,成都新蜀西科试验设备有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 试验原理
明胶是一种两性聚电解质,分子大,溶于水后,微粒直径约为1～100nm,可均匀分散于水溶液中,其溶液性质不同于小分子溶液。明胶分子在溶液中可离解的基团(主要为—COOH和—NH3)发生离解,分子表现出带正电荷或带负电荷,这取决于溶液的pH,带电分子在电场下的迁移方向由其所带电荷决定,故跟溶液pH值相关[4]。外加电解质也可以影响明胶的带电性质,但主要是对其双电层厚度的影响。在电解槽中,阳极对有机物有强烈的氧化作用,通过不同的pH支持电解质对明胶进行处理,可以研究其溶液性质相应的改变[5]。
1.2.2 试验内容
明胶溶液浓度5%,溶液配制方法为:称取5g明胶,加95倍水浸泡2.5h,每隔30min适当震荡,在60℃的水浴锅中恒温水浴搅拌30min,使明胶充分溶解。
电解方法:取电解槽2套,阳极和阴极均为石墨电极,一套阳极和阴极中间被阳离子膜隔开,另一套不带阳离子膜,电解的电流为85mA,磁力搅拌器转速60r/min。详细电解条件见表1。另外每组做对比样品一份,不经电场处理,直接测定相关性质作为对比。电解后溶液p H若发生变化,使用支持电解质阴离子所对应的无机酸和Na OH,将其调至电解前的pH以测定以下相关性质。
1.2.2. 1 等电点的测定
使用乙醇浊度法测定等电点,配制pH=4.0、4.2、4.4、4.6、4.8、5.0、5.2、5.4、5.6的乙酸—乙酸钠缓冲溶液,每次取3mL缓冲溶液和1mL样品,充分摇匀后加入乙醇至刚出现浑浊为止,记下加入乙醇的量,其它试样也加入等量的乙醇,充分摇匀待其产生浑浊后使用浊度仪分别测定浑浊程度。根据蛋白质在等电点处溶解度最小的性质,可知浑浊度最大时的pH值即为该样品的等电点[6]。
1.2.2. 2 黏度及黏度降的测定
使用奥式黏度计测定样品在35℃时的黏度。方法为使用奥氏黏度计分别测量蒸馏水和样品在35℃时的流出时间,因为样品溶液浓度低,试验前后溶液的密度变化很小,ρ0≈ρ1,因此可根据公式(1)计算样品黏度。将样品在35℃恒温条件下静置24h后,测定样品的黏度并计算黏度降[7]。黏度降计算方法为公式(2)。
t0为水的流出时间,t1为明胶溶液的流出时间。η0=0.722 5mP·s,水在35℃时的黏度值,η1为明胶溶液黏度值,η2为恒温静置24h后测得的明胶溶液黏度值,计算方法同公式(1),△η为黏度降。
1.2.2. 3 色泽、透明度的测定
取适量试样使用紫外光光栅分光光度计测量样品在450、620nm时的透光度,测量值分别为明胶的色泽、透明度。
2 结果与讨论
2.1 等电点变化
电场作用后的明胶的等电点见表2。未经电场作用的样品明胶等电点为4.8。使用Na Cl做支持电解质,经电场作用1h后,明胶位于阳离子膜阳极时,等电点降低0.4;位于阳离子膜阴极时,等电点无明显变化;无阳离子膜电解时等电点升高0.2。使用Na2SO4做支持电解质,经电场作用1h后,明胶位于阳离子膜阳极时,等电点降低0.2;位于阳离子膜阴极时,等电点无明显变化;无阳离子膜电解时等电点升高0.2。从表2中可以看出,电场作用前后的明胶的等电点变化趋势,与溶液p H无关。
电解过程中,有机物会在阳极上发生氧化反应并生成小分子中间体或CO2。溶液中含有支持电解质时则阳极发生的反应不一样,当Na Cl做支持电解质时,阳极反应有(1)和(2)。R代表有机物分子,反应(1)为主要反应。
反应(1)产生的Cl2溶解在溶液中部分形成HOCl和ClO-,具有强烈的氧化能力,将和溶液中的明胶继续发生反应,使明胶分子结构发生改变,从而其等电点发生变化。当Na2SO4作为支持电解质时,阳极反应为(2)和(3),反应(2)为主要反应,因此阳极对明胶分子的总氧化能力比Na Cl做支持电解质时要弱一些。
阳离子膜只允许阳离子通过,阴离子和大分子等则无法通过,因此阳离子膜将阳极区域和阴极区域隔开。当明胶位于阳极区域时阳极对其作用明显,等电点发生变化,当其位于阴极区域时由于阴极对有机物无明显作用,其等电点基本未发生明显变化。当两极之间没有阳离子膜时溶液体系中各离子可自由移动,明胶分子在阳极发生氧化反应,因此等电点同样发生改变。
2.2 黏度变化
2.2.1 Na Cl做支持电解质
在Na Cl做支持电解质电解的结果见图1。从图1可以看出,p H=4时溶液的黏度值比p H=6时稍低。p H=4和p H=6时,经电场作用后明胶溶液黏度变化趋势基本相同,随时间的增加溶液黏度逐渐降低。电解过程中无阳离子膜不电解的溶液黏度值最大,电解都会降低明胶溶液的黏度,且在阳离子膜阳极电解时黏度降的最低。黏度下降程度大小顺序为:阳离子膜阳极电解>无阳离子膜电解>阳离子膜阴极电解>无阳离子膜不电解。
电解后的样品在35℃恒温下静置24h后黏度值都会下降,其中阳离子膜阳极一侧电解后的样品黏度降最大达5%。
1-无阳离子膜不电解;2-阳离子膜阴极电解;3-无阳离子膜电解;4-阳离子膜阳极电解
2.2.2 Na2SO4为支持电解质
在Na2SO4做支持电解质电解的结果见图2。从图2可以看出:pH=4时溶液的黏度值比p H=6时稍低,电解时溶液黏度随时间增加而降低。电解过程中无阳离子膜不电解的明胶溶液黏度值最大。电解使明胶溶液的黏度下降,下降程度大小顺序为:阳离子膜阳极电解>无阳离子膜电解>阳离子膜阴极电解>无阳离子膜不电解。和Na Cl做支持电解值相比,Na2SO4做支持电解质电解时,同种电解条件下各溶液的黏度下降程度都比前者小。
Na2SO4做支持电解质电解后的样品,在35℃恒温下静置24h后黏度值同样都会下降,其中阳离子膜阳极一侧电解后的样品黏度降最大达3%。
通过对比明胶所在的电解区域可以知道:阳极电解对明胶黏度影响很大,由于明胶的黏度越大反映出其质量分数越高,分子越大,阳极作用后,明胶的黏度降低最明显,说明明胶分子的降解主要发生在阳极区域,而阴极对明胶分子的作用不明显。通过对比不同的支持电解质可以知道:Na Cl做支持电解质时,电解对明胶的降解作用最强,因为电解Na Cl时会在阳极形成Cl2、HOCl和ClO-,它们具有强烈的氧化作用,将会进一步与明胶分子发生氧化反应而使其降解。通过对比电解时不同pH可以知道,pH接近其等电点时黏度变化较小。
1-无阳离子膜不电解;2-阳离子膜阴极电解;3-无阳离子膜电解;4-阳离子膜阳极电解
通过对比静置24h后黏度降的变化可以知道:阳离子膜一侧电解,Na Cl做支持电解质时其黏度降最大,达5%。
2.3 透明度变化
经不同条件下的电场作用后,明胶溶液在450nm和620nm的透光度值基本没有发生变化,即明胶的色泽和透明度没有发生明显变化。
3 结论
电场作用会使明胶的等电点发生偏移,不同的电解条件使等电点的改变趋势不一样。电流值为85mA,电场作用时间1h,在电极之间加阳离子膜,分别使用Na Cl和Na2SO4做支持电解质时,位于阳极一侧的明胶等电点分别下降0.4和0.2,位于阴极一侧的明胶等电点无明显变化。电极间无阳离子膜,使用Na Cl和Na2SO4做支持电解质时,等电点均升高0.2。明胶溶液的黏度与电解时间成反比,当其靠近阳极一侧时黏度下降最大。电场作用对明胶的色泽和透明度没有影响。
摘要：研究直流电场对明胶溶液的作用,考察在不同pH和支持电解质的电场作用条件下,对明胶溶液等电点和黏度的影响。研究发现:经85mA直流电流作用1h,分别使用NaCl和Na2SO4做支持电解质时,位于阳离子膜阳极侧的明胶等电点分别降低0.4和0.2,无阳离子膜时等电点均升高0.2。明胶溶液黏度与电解时间成反比下降,当明胶位于阳离子膜阳极侧时黏度差值最大,而位于阳离子膜阴极侧时各电解条件对溶液黏度影响不大。电解对明胶的色泽、透明度没有影响。
关键词：电场,明胶,等电点,黏度
参考文献
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几种电场模型 篇4
点电荷是一个理想模型，孤立点电荷电场的电场线是直线，对正场源电荷而言，电场线从正电荷出发指向无穷远处，电场强度减小，电势降低.
1. 孤立点电荷电场
例1 半径为[R]，均匀带正电荷的球体在空间产生球对称的电场；场强大小沿半径分布如图1所示，图中[E0]已知，[E-r]曲线下[O-R]部分的面积等于[R-2R]部分的面积.
图1
（1）写出[E-r]曲线下面积的单位；
（2）己知带电球在[r≥R]处的场强[E=kQr2]，式中[k]为静电力常量，该均匀带电球所带的电荷量[Q]为多大？
（3）求球心与球表面间的电势差[U]；
（4）质量为m，电荷量为q的负电荷在球面处需具有多大的速度可以刚好运动到2R处？
解析 根据库仑定律得出点电荷场强关系式，场强反映的是电场的强弱程度，也表示沿电场线方向单位长度电势的降落，即电势改变的快慢，而电势差则是沿场方向电场强度在空间上的累积. [E-r]图象中图线与横轴所围面积表示电势差，而[φ-r]图象中曲线的斜率表示电场强度.
（1）[E-r]曲线下面积的单位为伏特.
（2）由点电荷的电场强度公式，[E0=kQR2]，解得[Q=E0R2k].
（3）根据[E-r]曲线下面积表示电势差，球心与球表面间的电势差[U=E0R2].
（4）根据题述[E-r]曲线下[O-R]部分的面积等于[R-2R]部分的面积，球体表面到[2R]处的电势差[U=E0R2]
由动能定理，有[qU=12mv2]， 解得[v=q0ERm].
2. 等量同种电荷电场
例2 空间有一沿[x]轴对称分布的电场，其电场强度E随x变化的图象如图2所示，带电粒子在此空间只受电场力作用.下列说法正确的是（ ）
图2
A.在[-x1]处释放一带负电的粒子，它能运动到[x1]处
B.带正电的粒子以一定的速度由[-x1]处沿[x]轴正方向运动的过程中，它的动能先增大后减小
C.带负电的粒子以一定的速度由[-x1]处沿[x]轴正方向运动到[x1]处，它在[x1]处的速度小于在[-x1]处的速度
D.带正电的粒子在[x2]处的电势能比[x1]处的电势能大、与[x3]处的电势能相等
解析 根据图2的场强变化图象，可知[-x1]和[x1]处场强等大反向，电势相等，电势能变化为0，A项对；带正电的粒子以一定的速度由[-x1]处沿[x]轴正方向运动的过程中，所受电场力先向左后向右，先做负功后做正功，动能先减小后增大，B项错；根据对称性可知：[-x1]处与[x1]处电势相等，则带负电的粒子由[-x1]处沿[x]轴正方向运动到[x1]处，电场力做功为0，动能不变，C项错；沿电场线方向电势逐渐降低，[x1]的电势高于[x2、x3]电势.正电荷在电势高处电势能大，粒子在[x2]处的电势能比[x1]处小、比[x3]处大，D项错.选A项.
3. 等量异种电荷电场
例3 如图3所示，在x轴相距为L的两点固定两个等量异种点电荷+Q、-Q，虚线是以+Q所在点为圆心、[L2]为半径的圆，a、b、c、d是圆上的四个点，其中a、c两点在x轴上，b、d两点关于x轴对称. 下列判断正确的是（ ）
图3
A.[b、d]两点处的电势相同
B.四点中[c]点处的电势最低
C.[b、d]两点处的电场强度相同
D.将一试探电荷[+q]沿圆周由[a]点移至[c]点，其电势能减小
解析 由等量异种点电荷的电场分布规律，可知[b、d]两点处的电势相同，再结合矢量合成的平行四边形定则可判断电场强度大小相等、方向不同，故A项正确C项错；由电荷的独立作用原理，可知试探电荷在[+Q]产生的电场中由a运动至c，电场力不做功，试探电荷在[-Q]产生的电场中由a运动至c，电场力做正功，故正电荷在两点电荷的电场中由a至c电场力做正功，电势能减小，D项正确；沿电场线的方向电势逐渐降低，故[b、d]点的电势高于[c]点的电势，由D项的分析结合[?=Epq]，可知[a]点电势高于[c]点电势，B项正确. 选ABD项.
例4 如图4甲所示，[Q1]、[Q2]是两个固定的点电荷，其中[Q1]带正电. 在它们连线的延长线上有a、b两点，一带正电的试探电荷以一定的初速度从a点沿直线经b点向远处运动，其[v-t]图象如图4乙所示. 若将带正电的试探电荷从[Q1]左侧静止释放，则该试探电荷（ ）
A.一定做加速运动
B.可能先做加速运动，后做减速运动
C.电势能可能增加
D.运动过程中所在位置的电势逐渐升高
[甲 乙]
图4
解析 由图可知，试探电荷先做减速运动，再做加速运动，且速度在[b]点最小，说明受电场力方向有反向，则[b]点场强为0，两电荷为不等量异种电荷，[Q1>Q2]，在[Q1]左侧电场方向向左，大小减小. 选A项.
二、匀强电场
匀强电场的电场线、等势面都是平行等间距的直线，彼此相互垂直，带电体在匀强电场中受到的电场力大小、方向处处相同.
例5 一质量为m的点电荷q，以速度v0在场强为E的匀强电场中开始运动，速度大小先减小后增大，最小值为[v02]，问质点从开始到速度最小过程中的位移为多少？重力大小忽略不计.
解法一 类比于斜抛运动，假设电场力向下，如图5所示，沿力的方向建立坐标系. 速度最小时，有
[vx=v0cosα=vmin=12v0vy=v0sinα-Eqmt=0]
nlc202309041312
图5
得[α=60?，t=3mv02Eq]
又粒子发生位移为[x=v0cosα?t=3mv02Eqy=v0sinα?t-Eq2mt2=3mv208Eq]
得[S=x2+y2=21mv208Eq]
解法二 逆向思维法
当速度最小时方向水平，利用逆向思维法，当作反向平抛运动处理，如图6所示，位移偏向角为
[tanβ=tanα2=32]，则[sinβ=37]
图6
从抛出到速度最小，据动能定理，有
[∑W=EqScos（π2+β）=12mv2min-12mv20]
得[S=21mv208Eq]
三、交变电场
接交变电源的平行板之间的电场是交变电场. 电场的周期取决于电源的周期，电场的变化取决于电源的变化. 带电粒子的运动由初速度、入场时间与电场的变化决定.
例6 如图7甲所示，两平行金属板竖直放置，左极板接地，中间有小孔. 右极板电势随时间变化的规律如图7乙所示. 电子原来静止在左极板小孔处. 不计重力作用，则（ ）
A. 从[t=0]时刻释放电子，电子将始终向右运动，直到打到右极板上
B. 从[t=0]时刻释放电子，电子可能在两板间振动
C. 从[t=T4]时刻释放电子，电子可能在两板间振动，也可能打到右极板上
D. 从[t=3T8]时刻释放电子，电子必将打到左极板上
[甲 乙]
图7
解析 从[t=0]时刻释放电子，如果两板间距离足够大，电子将向右先匀加速运动[T2]，接着匀减速运动[T2]，速度减小到零后……直到打在右极板上. 电子不可能向左运动；如果两板间距不够大，电子也始终向右运动，直到打到右极板上. 其他时刻释放电子，可以画出电子在电场运动图象，利用图象解决问题. 选 AC项.
拓展 （1）如果两板加的是图8甲所示的正弦交流电，其他条件不变，则电子在板间的运动图象如图8乙所示，为余弦函数图象. 电子将一直向右极板运动，[T2]时刻加速度为0，速度最大.
[甲 乙]
图8
（2）如果两板加的是余弦式交流电，如图9甲所示，其它条件不变，则电子在板间的运动图象如图9乙所示，为正弦函数图象. 电子的往复运动是简谐运动，平衡位置也在初始位置左侧靠近左板一侧.
[甲 乙]
图9
（3）如果右极板电势随时间变化的规律是如图10甲的扫描电压，则电子运行的图象如图10乙所示，电子做变加速运动. 当[T2]时刻速度和加速度达到最大，然后加速度反向逐步减小，速度不反向，但是大小逐步减小，图象为抛物线.
[甲 乙]
图10
电场作用 篇5
钢材表面渗硅可以获得耐磨性、抗氧化性、耐蚀性优良的保护涂层。在某些特定环境下,普通碳素钢渗硅可代替高合金工具钢、不锈钢或其他特殊合金,从而使其具有重要的工程应用价值[1,2]。渗硅的方法有固体粉末渗、盐浴渗和气相渗等,固体粉末渗硅操作简便、成本低、工艺易于控制、渗层质量好,使用较多[3]。但是传统的固体粉末渗硅存在渗硅温度高(>1 050 ℃)、加热时间长(>6 h)等缺点,对此,已研发出包括机械能助渗的多种新工艺[3,4,5,6,7,8,9],但是该类技术在实际生产中较难控制与实行。
直流电场对渗硼、软氮化及渗铝有显著的促进作用[5,6,7,8,9]。本工作采用在渗硅介质与被改性试样间施加直流电场,旨在进一步探索施加直流电场加速固体粉末渗是否具有普适作用,在此基础上,研究快速粉末渗硅的合适工艺条件,并考察了电场快速粉末渗硅获得的渗层的使用性能。
1 试 验
1.1 材料与设备
用于渗硅的材料为优质碳素结构钢20钢,切割成尺寸为10 mm×10 mm×5 mm,将其用400目及1~5号砂纸打磨表面后进行超声波丙酮清洗,烘干后待用。渗硅的粉末渗剂共200 g,由粒度≥60目的30.0%硅铁,25.0%碳化硅,42.5%木炭,2.5%氯化铵混合而成,混合前在150~200 ℃间烘干1 h。
1.2 粉末渗硅
将渗箱密封后置于箱式电阻炉中加热,当炉温达到设定值(750~850 ℃)后,在两极间施加直流电场,其中试样为阴极,进行粉末渗硅处理,保温2 h。作为对比,渗箱的中上部放置一块未接电极的参考试样,进行施加直流常规粉末渗硅处理。不同条件下粉末渗硅试验参数见表1。
注:DCF为施加直流电场新工艺,NM为常规粉末渗硅工艺。
1.3 测试分析
用金相显微镜观察分析渗硅层组织并测量渗硅层厚度。将新工艺处理后的试样放入电阻炉中采用静态称重法进行高温抗氧化性研究,氧化温度为700,750 ℃,总氧化时间为200 h,每隔20 h 称重1次,所用天平为FA2004N型电子天平,测量精度为0.000 1 g。
2 结果与讨论
2.1 工艺参数对渗硅层的影响
2.1.1 工艺参数对渗硅层组织
图1为20钢经不同工艺粉末渗硅处理后的截面形貌。由图1a可见,温度为850 ℃时,常规工艺粉末渗硅在20钢表层几乎不形成渗层,这与其他研究者[10]的结论吻合。施加直流电场保温温度高于700 ℃(低于常规工艺的850 ℃)时,形成了十分明显的渗硅层。比较图1d和1e可发现,随电流强度增大,渗硅层厚度加大,说明施加直流电场使粉末渗硅的渗速显著提高。
2.1.2 加热温度对渗硅层厚度
图2为2种工艺加热温度对渗硅层厚度的影响。
由图2可见,采用施加直流电场,在750 ℃下渗硅时表面形成了厚约20 μm的硅渗层,且随着温度升高,渗层厚度先增加,温度为800 ℃时渗层厚度约为50 μm,之后随温度继续升高,渗层厚度反而变小,具体原因有待进一步研究。采用传统工艺,渗硅温度低于800 ℃时,几乎不形成渗硅层。
2.1.3 电流强度对渗硅层厚度
温度为800 ℃时,直流电流强度对渗硅层厚度的影响见图3。由图3可见,电流小于3 A时,几乎不形成渗硅层,之后随着电流的增加,渗硅层得以形成并增厚。这表明直流电场条件下的渗硅行为与直流电流大小有密切关系,当电流强度超过“门槛”值(3 A)时,才能起到节能增效作用,说明渗剂反应产生的活性硅原子带电荷,强度足够大时才能形成电流回路,才能够给予活性硅原子足够的能量,突破其扩散所需能垒。温度为800 ℃,直流电流达到6 A时,20钢的渗硅层厚度约为85 μm。
值得说明的是,电流强度6 A是现有试验条件下能施加的最大值,更大电流强度与渗硅层厚度的关系有待进一步研究。
2.1.4 讨 论
施加直流电场的作用主要体现在以下3个方面:(1)在两极试样间施加一定电压的直流电场后,产生的活性硅原子带电荷,带电活性硅原子向零件(负极)表面定向扩散,其扩散速度显然高于非定向的热扩散速度,而且这种扩散方式还可以减少渗箱内壁和零件非工作表面对硅原子的吸收,从而使渗剂利用率得到提高;(2)在直流电场作用下,电流通过渗剂与试样本身的电阻对渗剂与样品有加热的作用,使试样实际温度较加热温度高。这种物理加热作用能促进粉末渗剂的分解,增加活性硅原子的浓度[9];(3)电场的两极之间及阴极试样与周围粉末渗剂间存在一个温度梯度,这将导致在电场两极及阴极与周围粉末渗剂之间存在一个活性硅原子的浓度差。根据菲克第一定律,这种浓度差将进一步增加粉末渗硅的定向渗速,克服了常规渗硅中单纯依赖非定向热扩散的不足。
2.2 渗硅层相组成
采用直流电场粉末渗硅工艺(DCF2,I=5 A),获得的渗硅层的XRD谱见图4。从图4可以看出,在直流电场条件下获得的渗硅层主要由Fe5Si3相组成。
2.3 渗硅层抗高温氧化性能
图5是直流电场粉末渗硅工艺(800 ℃,4 A)下所得的渗硅试样及原始试样的氧化动力学曲线。由图5可知,直流电场条件下获得的粉末渗硅层显著改善了20钢的抗高温氧化性能,在氧化温度700 ℃时有很好的抗氧化性能,能长时间工作,具有与传统粉末渗硅层相当的抗氧化性能[10]。
3 结 论
(1)合适的直流电场可以降低渗硅温度,将常规粉末渗硅温度由1 050 ℃以上降到750 ℃左右。
(2)直流电场条件下获得的渗硅层主要由Fe5Si3相组成。
(3)温度为800 ℃,直流电流6 A时,20钢的渗硅层厚度约为85 μm。
(4)直流电场渗硅层可显著改善其抗高温氧化性能,具有与传统粉末渗硅层相当的抗氧化性能,氧化温度700 ℃时抗氧化性优良,可以长时间使用。
摘要：为了探讨施加直流电场对固体粉末渗硅渗速的影响,以20钢为基材,通过在渗硅介质与被改性样品间施加直流电场,研究快速粉末渗硅的合适工艺条件,并研究该工艺获得的渗层性能。结果表明:直流电场可降低粉末渗硅温度,显著提高渗硅速度;可使常规粉末渗硅温度从1 050℃以上降低到750℃;加热温度为800℃,直流电流6 A时,20钢的渗硅层厚约85μm;直流电场条件下获得的渗硅层主要由Fe5Si3相组成,在700℃具有良好的抗氧化性能。
关键词：粉末渗硅,直流电场,抗氧化,20钢,渗硅速度
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电场作用 篇6
关键词：电场作用,水泥硬化体,微观结构,显微硬度
0 前言
钢筋混凝土结构是建筑中应用最广泛的结构形式，然而，随着基础建设的发展，建筑结构所面临的环境日渐恶劣，大量服役期的钢筋混凝土受到海水作用和除冰盐的氯离子侵蚀，致使因钢筋锈蚀而引发的混凝土结构损坏事例日渐增多。与之同时，为抑制和防治混凝土中钢筋锈蚀的电化学防护与修复技术也得到了快速地发展和应用，其中，较为典型的电化学技术如电化学除盐[1,2]和阴极保护等各种电化学的修复方法，均是以混凝土内钢筋为阴极，外部铺设的金属网为阳极，对钢筋混凝土建筑物中的局部构件施加电场作用。
目前大量研究发现，电化学修复过程中所施加的外加电场会导致钢筋与混凝土之间粘结力下降[3～[3,4,5]。许多研究人员对电场作用后钢筋-混凝土粘结力下降的原因进行了分析，如阴极反应产生的氢气在钢筋与混凝土界面会产生膨胀应力，碱在钢筋表面富集软化混凝土等[6,7]。由于上述分析没有直接证据，特别是缺乏电场作用后钢筋附近混凝土微观组成、结构与性能的变化研究，致使目前对电场作用后钢筋与混凝土粘结力下降的问题众说纷纭，没有统一的观点，严重制约了电化学修复技术在钢筋混凝土中的应用。
由于混凝土和砂浆的微观组成与结构受其中石子和砂的影响较大，因而本文采取在砂浆中埋设净浆试块和磨细净浆粉末，然后对砂浆施加不同的电场作用，利用XRD、DSC/TG测试来分析水化产物在电场作用下的变化，利用SEM观测净浆表面即界面区的水化产物形貌，利用显微硬度测试预埋净浆块的表面硬度，以期揭示电场作用对混凝土和砂浆内部组成、结构以及性能的影响规律，阐明电场作用对钢筋-混凝土之间界面粘结力影响的机理，并为防治电化学修复对钢筋混凝土的负面影响提供一定的理论指导。
1 原材料与试验
1.1 原材料
水泥：P·Ⅱ42.5级水泥;砂：厦门产标准砂;钢筋：φ12mm光圆钢筋;水：自来水。
1.2 试件制备
以配合比为水泥：砂：水=1:3:0.5成型φ150mm×150mm的水泥砂浆圆柱体试件，试件轴心放置一根直径为12mm的光圆钢筋。在距离试件下底面50mm与100mm处，分别沿径向预埋20mm×20mm×20mm净浆试块和磨细水泥净浆粉样3份，如图1所示。其中，水泥净浆的配合比为水泥：水=1:0.3。磨细水泥净浆粉样为龄期1d的净浆试块粉磨后通过0.075mm孔筛所得的试样，净浆粉样与试块均用滤纸包裹后放入砂浆中，以方便脱模且不阻碍离子迁移。
砂浆试块成型24h后脱模，在标准养护条件下养护至60d，然后在饱和Ca(OH)2溶液中进行通电处理。分别采用3A/m2、15 A/m2、30 A/m2(相对试件内钢筋的表面积)的三种电流密度，通电时间为10d、20d和30d。通电结束后，立即将其中的水泥净浆粉样和净浆试块取出，利用XRD和DSC/TG对净浆粉样矿相进行分析，同时利用XRD对试块表面的Ca(OH)2取向程度进行分析，并利用SEM和显微硬度计分别对水泥净浆试块的表面结构和性能进行研究。
1.3 分析方法
采用Oxford公司Y-2000型X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)进行物相组成和Ca(OH)2取向程度分析。Cu靶，Kα1线，管电压40kV，管电流30mA。
采用Netzsch公司STA 449C综合热分析仪(Differential scanning calorimetry/Thermal gravimetry)对水泥净浆粉样进行DSC/TG测试。N2保护;温度20～1000℃,升温速率10℃/min,在50℃时保温30min。
采用Instron公司Wilson-Welpert Tukon2100B显微硬度测试仪，压头500g，进行维氏硬度测试。
采用荷兰FEI公司Quanta 200环境扫描电子显微镜对净浆试样形貌进行观察分析。
2 试验结果与讨论
2.1 XRD分析
通电后取出净浆试块发现表面生成一层白色物质，这种白色产物在很多人的研究中均有发现。T D.Marcotte[8]等人研究发现在通电后钢筋砂浆的界面会形成这样的白色产物层，他们通过SEM观测解释这种产物为Ca(OH)2;J.C.Orellan[4]的研究发现，对砂浆进行通电，在钢筋砂浆界面间即刻会形成一层富Ca、K、Na、Al的产物。在本研究中通过XRD测试也发现这种产物以Ca(OH)2和CaCO3为主，考虑CaCO3可能是Ca(OH)2碳化生成，在砂浆内部的生成产物应该为Ca(OH)2，见图2。
净浆试块的水灰比较砂浆试块要小，因此，净浆试块更致密，净浆与砂浆的界面层正好提供了离子迁移的通道。在通电时，电流可能沿着净浆表面流过，为此净浆块内部受到电场力作用较小。净浆粉末中孔隙大，孔溶液充足，是电流流经的主要通道。将磨细净浆粉末取出，磨细做XRD分析，试验结果见图3至图8。
对比不同通电时间、不同电流密度与不同深度的磨细净浆粉末XRD图谱可以发现，产物均以Ca(OH)2为主，但Ca(OH)2的结晶程度和取向性强弱变化明显。虽然决定界面性质的因素很多，但Ca(OH)2的取向和富集引起界面性质的变化是十分重要的原因之一，它也间接反映了界面层的孔结构和致密性。
通过净浆粉末的XRD图谱可以看到，在3A/m2的电流密度下，通电前期钢筋附近即内层试样的Ca(OH)2取向性指数很高，中层和外层明显要低于内层试样。上述现象可能是由于在通电瞬间阴极区发生电极反应产生大量的OH-，而电流密度较小，从而会优先结晶，因此，在通电初期就会有大量的Ca(OH)2结晶沉积。由于OH-在钢筋表面生成，且钢筋与净浆之间由于收缩裂缝存在大量微裂纹的界面区，使Ca(OH)2具有充足空间得以生长良好，晶面清晰，结晶明显。随着通电时间的延长，Ca(OH)2生成量逐渐增多，不断填充于初期的微裂缝中，导致混凝土电阻增大。在维持相同电流密度的情况下，电场力会增大，OH-离子在阴极生成后会受到更大的电场力作用，此时更加趋向于向阳极附近移动，而不是生成Ca(OH)2结晶析出，导致Ca(OH)2晶体数量不会一直增加;并且在通电后期，由于电流路径的空间更小，Ca(OH)2在结晶的时候取向性变差。而在外层的试样正好相反，由于前期没有突然增加的离子浓度，前期Ca(OH)2结晶较少;随着通电时间的延长，大量OH-离子移动到外层，开始沉淀结晶，使后期外层试样的Ca(OH)2结晶程度更高。当在较大电流密度30A/m2情况下，离子在各个时期都受到较大的电场力作用，离子运动以迁移为主，因此，各个部位Ca(OH)2的结晶程度都不高。当电流密度为15A/m2时，尽管初期生产大量OH-，可依然以电场力引起的迁移为主，而在电场力作用一段时间后，大量Ca2+移动到钢筋附近，OH-持续生成，此时离子浓度积过大，Ca(OH)2才开始大量结晶，此时微裂缝还较多，生长空间充足，Ca(OH)2结晶程度也相对较好。
2.2 DSC分析
图9、图10分别为不同通电时间和不同电流密度下内层试样的DSC曲线。由图可见，DSC曲线中包括50～200℃、400～450℃、630℃左右三个吸热峰，其中50～200℃一般为水化硅酸钙、石膏、钙矾石、铝胶等脱去自由水和游离水的特征吸热峰，该峰在一定程度上表示水化产物的数量;在水泥水化产物中400～450℃的吸热峰一般为Ca(OH)2脱去结合水的吸热峰，该峰在一定程度上反映Ca(OH)2量的多少。
通过对净浆粉末的热重分析可以看出与XRD类似的规律：在3A/m2的电流密度下，通电前期钢筋附近即内层试样的Ca(OH)2含量高，中层和外层明显要低于内层试样。通电瞬间阴极区发生电极反应而生成大量的OH-，而电流密度较小，从而会优先结晶。因此，在通电初期内层会生成大量Ca(OH)2，而随着通电时间的延长，OH-离子浓度降低，电场力逐渐增大，电场力成为主要驱动力，Ca(OH)2部分分解成离子以提供迁移电流，随着通电时间的进一步延长，Ca(OH)2达到结晶迁移平衡。外层试样与内层试样正好相反，由于前期没有突然增加的离子浓度，从而前期结晶少，在长时间电场作用下，大量OH-离子移动到外层后才开始沉淀结晶，而且较快达到结晶迁移平衡。对于大电流密度而言，离子在各个时期都受到较高的电场力作用，OH-离子以迁移为主。只有在各自电流密度下Ca2+和OH-浓度积为最大值时才在不同位置结晶析出较多Ca(OH)2。
各试样TG见表1，计算得出各试样中Ca(OH)2的含量。
2.3 浆体力学性能分析
通过对取出的每个净浆试块取30个点做显微硬度并取平均值后发现，电场力作用对内层试样的显微硬度有明显的影响，如图11和图12所示。通电初期，内层试样显微硬度下降且低于对比样，说明由于初期大量Ca(OH)2取向性富集，造成界面层薄弱，从而导致硬度的降低。随着通电时间的延长，内层试样的显微硬度会显著增大，这可能是由于后期Ca(OH)2已经达到了结晶溶解平衡，不会造成弱化作用。电场作用下，大量钠、钾离子富集在阴极区，内层试样会出现富钠、钾相，且不断增多，导致显微硬度的增大;而外层试样，由于不会出现OH-的迅速增多，且微裂缝少，Ca(OH)2可能会较早的达到结晶溶解平衡，不会有富钠相的出现，因此，电场作用不会对外层试样的显微硬度产生明显影响。电流密度的增大反而导致30d时试样硬度的减小，这可能是在较大电场力作用下，初期Ca(OH)2的取向富集更明显，对前期显微硬度的弱化更明显，从而导致后期富钠相的补强作用在30d时还没能充分体现。
2.4 浆体微观形貌研究
图13是通电后浆体内部形貌，可以看出通电后以Ca(OH)2为主的晶体在浆体内部的孔隙中生长。图14为通电10d后的净浆表面，由于净浆和砂浆界面区存在很多微裂纹和孔隙，是通电过程中孔隙液流动的路径，即使在低倍下也可看到净浆表面有很多Ca(OH)2生成。
图15和图16分别为通电10d和30d后内层净浆的表面形貌。可以看出在通电初期，Ca(OH)2大量生成(如图15)，六方板状的Ca(OH)2晶体多而且形貌规则，且大多数都沿同一方向，证实了前面取向性的测试，同时还伴有钙钒石和C-S-H等多种水化产物。而在通电30d后，Ca(OH)2也存在，但是形状已不如初期规则(如图16)，且在图16中的A处，生成较多富钠的微结晶相，导致C-S-H形貌发生改变。可以推测在通电初期由于在钢筋砂浆界面处产生大量Ca(OH)2，而界面区Ca(OH)2的大范围生长会导致初期粘结力的下降，后期富钠相的形成会对C-S-H构成一定的破坏，虽然显微硬度增加，但C-S-H破坏导致整个通电过程中粘结力无法得到恢复，从而使通电过后的试件均会有粘结力的下降。
3 结论
(1)通电初期，阴极附近生成大量结晶程度良好的Ca(OH)2。一方面，由于阴极在通电初期便产生大量OH-，使Ca(OH)2易于结晶;另一方面，由于在阴极区有界面区的存在，存在大量的微裂缝，为Ca(OH)2的生长提供了充足的空间，因此，通电初期在阴极区会有大量的Ca(OH)2取向富集。通电后期，由于Ca(OH)2填充了大部分孔隙，导致后期生成的Ca(OH)2结晶程度降低。
(2)电场作用会对阴极区浆体的显微硬度产生明显影响，通电初期由于Ca(OH)2的大量生成致使硬度下降，在Ca(OH)2达到结晶溶解平衡后由于富钠相的作用而导致后期显微硬度的增强。
(3)通过观测通电后水泥浆体的形貌特征后发现，通电初期净浆表面会有大量规则的Ca(OH)2生成，且伴有钙钒石和C-S-H;随着通电时间的延长Ca(OH)2规则度降低，且会生成明显的富钠相。
参考文献
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电场作用 篇7
异种材料连接接头往往会形成脆性 金属间化合物,成为整个接头的薄弱环节,从而削弱了其连接强度[4,5,6,7,8]。Mg和Cu的熔点相差433℃,互溶性十分有限,而且Mg和Cu表面易生成高熔点氧化膜,采用熔焊方法对其进行焊接时,接头处近镁侧晶粒长大,容易生成氧化物和脆性金属间化合物,甚至产生裂纹、气孔等冶金缺陷,显著降低 了材料的 连接强度[9]。王生希[10]采用TIG焊对镁铜直接进行焊接时由于金属间化合物MgCu2和Mg2Cu的形成使得接 头的性能 很差,加入铁箔作为中间层焊接时避免了金属间化合物的形成而显著地提高了接头的连接强度。扩散连接是在真空环境中利用界面上原子扩散实现结合的先进连接技术,尤其适用于对异种材料进行连接[11,12,13,14]。杜双明等[15]采用瞬时液相扩散焊对Mg/Cu进行连接时发现,扩散界面 由 (α-Mg+ Mg2Cu)/MgCu2/(α-Mg+Mg2Cu)组成,且扩散层的宽度及显微硬度随着保温时间的延长得到相应提高。Mahendran等[16]利用热压扩散焊实现了Mg与Cu的连接,通过对不同参数下Mg/Cu连接界面力学性能进行分析,发现扩散温度是连接过程中最主要的影响因素。
本工作采用电场激活扩散连接技术(FADB)实现了AZ31B/Cu的连接,研究了在 电流作用 下AZ31B镁合金与铜扩散连接界面的结构特征及其对连接性能的影响。
1实验
实验装置如图1所示,外加电流由RDY2000A/12V直流电源提供,炉腔温度和试样温度分别由置于炉中的W-5%Re/W-26%Re热电偶 (OMEGA,Φ=3mm)和插入石墨模内的Pt-10Rh/Pt热电偶测试。
实验材料为AZ31B挤压态板材(主要化学成分见表1)和T2铜板 (主要化学 成分见表2),尺寸均为20mm×1.5mm。实验前先将AZ31B板和T2铜板用金相砂 纸打磨并 进行超声 波清洗,清洗时间 为5min。然后将其依次放入石墨模具中并置于上下电极之间,在外加电场和压力的共同作用下,试样在一定温度下保温一定时间,然后关闭电源,试样随炉冷却。实验过程在真空环境中进行,真空度为2×10-1Pa,实验电流为600~800A,扩散温度为450~500℃,压力为20MPa。
利用SEM (JEOLJSM6390)、EDS和TEM(JEM-2100)对试样连接界面的微观形貌和扩散溶解层成分进 行分析,利用微机 控制电子 万能试验 机(DNS200)对连接界面抗剪强度进行测试,试样尺寸为20mm×13mm,加载速率为1mm/min。
2结果与讨论
2.1AZ31B/Cu界面微观组织分析
图2为AZ31B/Cu扩散偶在450℃保温20min的连接界面扩散溶解层的形貌。图2(a)中从左向右依次为T2铜、扩散溶解层和AZ31B镁合金。由图2(a)可见,层间连接良好,无界面孔洞或裂纹等焊接缺陷,界面处形成宽约9μm的扩散层,并且在连接界面和镁合金基体中出现了明显的不规则析出相。EDS分析结果表明:扩散溶解 层从左到 右依次为MgCu2、Mg2Cu和MgCuAl金属间化合物。镁合金基体中的不规则析出相为Mg17(Cu,Al)12,Mg2Cu扩散溶解层中的浅色析 出相为MgCuAl金属间化 合物。其中Mg17(Cu,Al)12析出相的TEM形貌如图2(b)所示。该化合物的形成过程如下:镁合金AZ31B中主要由α相(Al在Mg中的饱和固溶体)和β相(Mg17Al12)组成,β相主要以网状的形式存 在,随着扩散温度的上升,β相逐渐溶解,网状分布被破坏,同时由于Cu原子沿镁合金基体晶界的扩散系数明显大于沿其晶内的扩散系数[15],因此扩散进入镁合金中的Cu原子优先沿镁合金的晶界扩散,并且Cu、Al两元素的原子半径比较接近,易发生置换型扩散,使得一部分Al原子被Cu原子取代形成Mg17(Cu,Al)12。Mg2Cu扩散溶解 层中的MgCuAl析出相则是由于受镁合金基体中Al原子浓度的限制,只有极少数被激活的Al原子可穿过Mg2Cu向Cu一侧扩散,并且Mg、Al原子的活性较Cu原子强,因此反应扩散基本发生在靠近Cu基体的一侧,故在Mg2Cu扩散溶解层中靠近MgCu2处生成了少量的MgCuAl化合物。
当扩散温度升至475℃时,EDS分析结果表明扩散溶解层的结构没有明显变化,但是各层的厚度有所增加(见图3(a))。这是因为随着温度的升高,更多的原子借助能量起伏越过势垒进行迁移,同时金属内部空位浓度的提高也有利于扩散反应的进行。当扩散温度升至500℃时,扩散溶解层中出现了花纹状的共晶组织(见图3(b)中大圈所示),对其进行相成分分析发现,该组织为α-Mg和Mg2Cu的共晶体,其中浅色部分为Mg2Cu,深色部分为α-Mg。扩散溶解层中其余两层分别为Mg2Cu和MgCuAl,没有发现MgCu2层。结合Mg-Cu二元合金相图(见图3(c))可知,当扩散温度超过485℃时,初始形成的Mg2Cu层将与多余的Mg原子发生共晶反应形成α-Mg+Mg2Cu共晶组织,同时由于共晶液相的扩散能力较强且液相中Mg原子的浓度较大,因此共晶液相中的Mg原子在浓度梯度的作用下穿过Mg2Cu层向MgCu2层扩散,与MgCu2结合形成Mg2Cu,从而引起界面物相和形态的变化。同时由于共晶液相的形成,Cu原子向镁合金一侧扩散的阻力减小,大量的Cu原子向MgCuAl层扩散,在靠近镁合金基体一侧与活泼的Mg原子生成Mg2Cu,而在共晶温度以上Mg2Cu与Mg随之发生共晶反应形成α-Mg+Mg2Cu共晶组织(如图3(b)中小圈所示)。
图3不同温度下 AZ31B/Cu连接界面的SEM 形貌及 Mg-Cu二元合金相图(a)475℃;(b)500℃;(c)Mg-Cu二元合金相图Fig.3SEMimagesofAZ31B/CuinterfacesatdifferenttemperaturesandMg-Cubinaryalloyphasediagram(a)475℃;(b)500℃;(c)Mg-Cubinaryalloyphasediagram
2.2扩散溶解层形成过程分析
AZ31B/Cu连接界面的形成过程如图4所示。在扩散反应初期(见图4(a)),AZ31B/Cu连接界面相互接触,在压力的作用下实际接触面积逐渐增大,根据扩散溶解结晶理论[17],当镁合金与铜之间的距离达到扩散所需的物理条件后,在浓度梯度和电场的协同作用下Mg原子和Cu原子摆脱晶格束缚发生互扩散(见图4(b)),由于Cu几乎不溶于Mg,所以二者之间的连接主要通过Mg向Cu中进行扩散。当Mg在Cu中的固溶度达到饱和后,界面处开始形成金属间化合物。结合Mg-Cu二元合金相图(见图3(c))和吉布斯自由能最小原理,Mg原子和Cu原子首先形成MgCu2(见图4(c)),当MgCu2层厚度达到稳定后,界面处靠近镁合金一侧开始形成Mg2Cu(见图4(d)),当Mg2Cu层达到一定厚度后,由于大量Mg原子的迁移导致界面处的Al原子逐渐聚集,并且镁合金基体中Al原子的浓度较小使得绝大部分Al原子的扩散深度不足以越过金属间 化合物层Mg2Cu,便在镁合 金基体和Mg2Cu之间与Cu原子和Mg原子结合形成MgCuAl层(见4(e))。
图4AZ31B/Cu连接界面扩散层形成过程示意图(a)初始界面;(b)固溶体形成阶段;(c)MgCu2形成阶段;(d)Mg2Cu形成阶段;(e)MgCuAl形成阶段Fig.4SchematicdiagramofformationoftheinterfacebetweenAZ31B/Cu(a)theinitialinterface;(b)thestageofformationofsolidsolution;(c)thestageofformationofMgCu2;(d)thestageofformationofMg2Cu;(e)thestageofformationofMgCuAl
当扩散温度高于485℃,MgCuAl/Mg2Cu界面处镁含量达到33%原子分数时,Mg-Cu发生共晶反应形成共晶液相(如图3(c)所示)。在扩散驱动力的作用下镁合金中的Mg原子穿越MgCuAl层迅速向MgCu共晶液相扩散,铜中的Cu原子穿越Mg2Cu反应层也向Mg-Cu共晶液相扩散。当温度降低至485℃时,液相凝固形成花纹状的α-Mg+Mg2Cu共晶组织(见图3(c)右上小图),基于共晶液相较强的扩散能力和流动性,一部分Mg原子扩散进入MgCu2层与其发生反应生成Mg2Cu,一部分Cu原子穿越MgCuAl层在靠近镁合金基体一侧形成共晶组织。
2.3AZ31B/Cu连接界面剪切性能
表3为AZ31B/Cu扩散偶连接界面剪切性能的测试结果。由表3可见,扩散温度和保温时间对连接界面抗剪 强度有着 直接影响。 扩散温度 一定时(450℃)界面的抗剪强度随保温时间的延长先增大后减小,保温时间 为30min时达到最 高抗剪强 度为40.23MPa。这是由于扩散溶解层的厚度随保温时间的延长呈抛物线增长[18],扩散时间较短,层厚较小,接头结合不良;扩散时间过长,扩散层厚过大,则可能使接头脆性增加。因此接头性能会随扩散时间的延长出现上述的变化趋势。保温时间一定时(30min),扩散温度由450℃增加到500℃,界面抗剪 强度降低 了34%。当扩散温度低 于475℃时接头 的薄弱环 节为Mg2Cu,扩散温度为500℃时接头的薄弱环节为共晶组织α-Mg+Mg2Cu。这是由于500℃时,Mg-Cu发生共晶反应形成α-Mg+Mg2Cu共晶扩散层,该共晶层协调基体变形能力差,对应力集中敏感,从而降低接头的剪切性能并导致了薄弱环节的转移。
图5(a)为AZ31B/Cu扩散偶的 剪切断口 形貌。从图5(a)中可看出,断裂位置为Mg2Cu层时的断口形貌呈凹凸不平的片层状,有大量的台阶,属于沿晶断裂。在晶界处存在少量的MgCuAl析出相,使得连接面的结合强度进一步降低。在剪切作用下,这些在晶界上不连续的MgCuAl析出相粒子周围首先形成微孔,微孔长大连接引起晶界裂纹,最后造成沿晶断裂。图5(b)为AZ31B/Cu扩散偶断裂位置为共晶组织αMg+Mg2Cu处的断口形貌,此断口较为平整,由于形成的共晶组织强度不均匀,因此在剪切过程中裂纹主要萌生在α-Mg相区 ,随着裂纹的生长与扩 展导致连接界面发生脆性断裂。
图5AZ31B/Cu扩散偶的剪切断口形貌(a)Mg2Cu层;(b)α-Mg+Mg2CuFig.5FracturemorphologyofinterfacesbetweenAZ31B/Cucouple(a)Mg2Culayer;(b)α-Mg+Mg2Cu
3结论
(1)采用电场激活扩散连接技术(FADB)获得的AZ31B/Cu扩散偶层间连接良好,形成了完整的冶金结合。扩散温度低于475℃时扩散溶解层由金属间化合物MgCu2,Mg2Cu,MgCuAl组成;扩散温度 为500℃时扩散溶解层的相组成发生了变化,形成了αMg和Mg2Cu的共晶组织,没有出现明 显的MgCu2层。
电场作用 篇8
风电是一种清洁可再生的能源,受到各国政府高度重视。上海东海大桥100MW海上风电示范项目是经国家发展和改革委员会核准,由上海市政府规划和建设的我国第一个大型海上风电项目,也是亚洲第一个大型海上风电场项目。该项目位于上海东海大桥东侧1～4km,浦东新区海岸线以南8～13km的上海市海域。风电场平均水深10m,风机高度设计为90m,年平均风速8.4m/s。该风电场由34台单机容量为3MW的风电机组组成,总装机容量102MW,设计年发电量利用小时数2 624h,年上网电量2.67亿kW·h,项目总投资23.65亿元。该项目2006年6月国家发改委同意立项,2010年6月全部34台风机并网发电。2010年10月被联合国开发计划署、联合国环境规划署授予“联合国环境友好型城市示范项目”证书。该项目的建成为我国海上风能开发提供了很好的借鉴。
2 海上风电场的组成
海上风电场是一种由数十台或数百台大中型风电机组在海面上排成阵列组成发电机群与电网并网运行,向用户提供强大电力的发电系统,主要包括分布在场内的各个风力发电机组、陆上中央监控室及场区的建筑物、风力发电机组变电单元、场区集电线路、升压变电站、中央监控通信系统,以及其他防护功能设施。
风力发电机组是将风力转变为电能的核心部分,由叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、发电机、调速器和限速装置、对风装置、塔架及其附属部件构成。陆上中央控制室及建筑物是对整个风电场系统进行监控和管理的办公室和设备系统。风力发电机组变单元是由单个风力发电机组与箱式变压器组成。场区集电线路是将单个风力发电机组变单元分组连接的线路,一般采用敷设海底复合电力电缆连接。升压变电站是将场区集电线路输出的电压升压到110kV或220kV的风电场配套变电站。中央监控通讯系统是对风电场整个发电系统与连接电网进行控制和管理的联络、监控及通讯设施。
3 国内外海上风能开发现状
目前,海上风能的开发项目主要集中在欧洲发达国家。其中大型海上风电场主要分布在丹麦、瑞典、英国、荷兰等国。世界上第一个海上风电场于1991年在丹麦建成。直到2009年,全世界共有12个国家建立了海上风电场,其中10个位于欧美,中国和日本有小规模的安装。世界海上风电累计装机容量达2 110MW,较2008年增长48.5%,占到全球风电总装机容量的1.2%。2009年世界海上风电新增装机容量达689MW,其中,最大的近海风电场是Nysted海域建成的装机容量达到165MW的海上风电场。随着海上风电技术的不断完善,海上风电场开始进入规模化发展阶段。
我国拥有绵长的海岸线,海上风能资源丰富。据统计,我国风能资源储量居世界首位,可开发的风能储量约10亿kW,其中陆上风能储量约2.53亿kW(按陆上离地10m高度资料计算),海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW。主要分布在山东、广东、辽宁、江苏和东南沿海地区及其附属岛屿,年平均风速达到6～9m/s,风能是陆上的3倍。2010年6月我国海上风电示范项目及上海市重大工程项目——东海大桥100MW海上风电场建成投入运营,这标志着中国海上风力发电产业稳稳走出了第一步,大型海上风电场建设技术已达到世界先进水平。
4 海上风电场建设技术的创新
海上风电场与陆上风电场建设相比在资源、气候、地质环境等条件方面具有很大的不同,因此,风电场的建设风险、投资成本也不一样,其中,在风电场的选址、升压变电站建设、支撑结构设计与施工、海上风机安装技术,以及并网技术等关键技术方面具有创新。
4.1 海上风电场选址
从国际上风电场建设的经验看,海上风电场选址需要考虑的主要因素有:①通过专业化、科学化的前期调研,得到较精确的初步成本预算;②具有丰富的风能资源,接入电网系统比较方便;③符合当地区域发展规划的要求,风电场建设与城市规划、海事、海洋、军事、航运、渔业及环境生态保护相协调;④具备较好的海面水域、水深和海底地质条件;⑤具备较先进的安装设备和并网技术、好的交通运输和施工安装场地等条件。
上海市位于我国东部沿海,属东亚季风气候盛行地区。风能资源评价表明,上海市近海海域拥有丰富风能资源,具备建设海上风电场的风能资源条件。上海电网是我国大型的城市受端电网,离大型风电场较近。在东海大桥周边范围建设风电场符合上海市海洋功能规划、岸线规划及有关海洋自然环境保护规定;东海大桥海上风电场选址在东海大桥的东侧,离大桥最近约1km,以东侧、北测的海底光缆和管线为控制边界,南侧与浙江海域相邻,中间设立可通行1 000t级船舶的航道,所选区域均避开了航道、港区、海底管(缆)线、锚地、军用区域,以及建(构)筑物;不影响防汛、航空安全;具备大型海上运输船舶相关的安装设备,有利于风机基础施工和风机吊装;前期调研和成本核算表明,该选址技术经济合理,建设方案可行。
4.2 升压变电站
在风电场中,风力发电机组发出的电量需要输送到区域电网中去,才能得到有效利用。为了减少线损,应逐级升压送出。目前国际市场上的风电机组出口电压大部分是0.69kV或0.4kV,因此,要对风电机组配备升压变压器,通过场区集电线路,将电压升到10kV或35kV,再通过电力电缆输送到与风电场配套的海上升压变电站或陆上升压变电站,将输入的电压升高到110kV或220kV,再经高压线路输送到区域电网。升压变电站的建设,国际上有两种方案:一种建设海上变电站,另一种是建设陆上变电站。
上海东海大桥海上风电场各台风机升压变压器采用35kV高压侧电压,通过海底电缆接入浦东临港新城海岸上的升压变电站后送入上海市电网。
4.3 海上风机的支撑结构
海上风机的基础结构按照目前国际上的建设经验,主要有单桩基础、多桩基础、重力式混凝土沉箱、吸力式基础、导管架基础几种类型。
(1)单桩基础。
主要安装在海床下10～20m范围,桩径一般为2～4.5m,壁厚为直径的1/100。单桩不需作海底准备,制造简单,但安装时需要专用的设备,施工费用相对较高。
(2)群桩基础。
一般桩径较小,为三角桩,通过特殊灌浆或装模与上部结构相连,适合于在深海域建造,缺点是没有成功安装群桩基础的经验。
(3)重力式混凝土沉箱。
该类型基础体积较大,靠重力使风机保持垂直。这种结构简单造价低,受海床沙砾影响不大,但体积和重量较大。
(4)吸力式基础。
一般分为多桩或单桩吸力式沉箱基础。吸力式沉箱基础适于软粘土及砂性土;单桩吸力式沉箱基础比多桩吸力式沉箱基础的安装费用高。
(5)导管架基础。
采用小直径钢管打入,端部填塞或成型连接,适合较深的水域,且覆盖层承载力高,其优点是对打桩设备要求较低,导管架采用工厂加工,整体运输安装;缺点是现场作业时间相对较长。
考虑到有一条深水航道穿越东海大桥风电场,因此风机基础的设计要具有抵抗船舶撞击的能力,结合我国市政桥梁和港口码头建设经验,摒弃了采用单桩、导管架等基础的施工方案,而是提出了高桩混凝土承台基础方案,大大减小了基桩的直径,而且也有类似的混凝土承台施工经验。如果适当控制承台高程,就可以用钢筋混凝土承台抵抗船舶的撞击,而无需另外设置防护桩。该方案虽然施工工序较多,但具有结构刚度大、总造价低、施工风险可控的优点。
4.4 海上风电场风机安装技术
一般来说,风机安装具有分体吊装和整体吊装两种施工方案。风机整体吊装是海上风电场建设的关键,施工难度大,国内还没有先例。整体吊装施工方案就是在陆上将叶片、机舱、轮毂、塔筒组装成一体,装船运至安装现场,在海上进行整体吊装。选择该方案,需要在陆上建立拼装场地和运输码头,在环境较好的陆上完成风机拼装,可大大缩短海上作业时间。对于分体吊装方案而言,与陆上基本相同,技术相对成熟,但海上吊装作业时间比较长,受气候影响较大。通过比较,东海大桥海上风电场最终选择了整体吊装方案,主要是利用其他工程施工遗留下来的沈家湾预制基地,经改造后作为风机陆上拼装基地。并在场地上布置了叶片、轮毂移动平台,在码头上安装了起重机和风机组装塔筒,用改装的半潜驳船作为风机整体运输船。
4.5 风力发电机的并网技术
风电是一种不稳定电源,它随风速的改变而不断变化。越来越多的风电接入电网,会使电网面临一系列的挑战,其中,由此产生的电网故障将导致风电场的解列就是重要的挑战之一。因此,风电电源还需要得到强电系统的支撑。上海电网是一个大受端,属强电系统。将风电场接入上海电网的同时,也可以获得电网较好的功率补偿,对于保证风电场的全部发电能够安全可靠地输送到电网是非常重要的。东海大桥海上风电场设陆上控制中心和110kV升压变电站,根据风电场风机的布置,采用8～9台风机组合成一个联合单元,通过四回集电线路,用35kV海底电力电缆接入,再经过110kV电缆接入220kV变电站,从而并入上海市电网。
5 大规模海上风能资源开发的借鉴作用
海上风电场建设难度远远超过陆上风电场,通过上海东海大桥海上风电场示范工程项目的实施,已经积累了一定的建设经验。海上风电场建设的关键技术已经取得重要进展。目前,国内沿海地区都在规划建设大型海上风电场,东海大桥海上风电场的建设对今后大规模开发海上风能资源有很好的借鉴。
(1)海上风电场建设前期,要做好可行性研究工作。通过专业化和科学调研,收集较为准确的地质、气象、海洋环境等第一手资料,并对各种建设方案进行初步的成本预算;考察是否具备大型设备安装所用的海上运输工具(如重型船舶等);确认海底打桩所用到的相关设备及工具的可靠性;根据不同的海水深度选择适合的风机基础形式等。
(2)充分利用我国自主研发的大型风力发电机组,降低风电场建设费用。选择机组连网电力电缆材料,确定可行的工程施工方案。对于近海风电场建设,必须根据离岸距离和经济技术的合理性,选择将高压升压变电站是建在陆上还是建在海上。利用最新的风电场并网技术,确保风电场电能的有效利用。风电场建设过程中,要做好离岸变电站的布局规划、电力电缆填埋深度和风机连网对航线的影响等安全风险评估。
(3)采用岸上装配与海上吊装相结合的技术,可以降低海上风机吊装施工的安全风险和成本,即在岸上(离海上风电场最近的港口)对风机主要部件(如风电机组等)进行装配和调试,然后通过船舶集中运输到现场进行整体吊装。
(4)为了保证海上风电场的正常运行,必须做好风电场的人性化设计和安全风险评估。经验显示,考虑到海上恶劣的气候环境,风机机组设计要做到免维护和耐腐蚀性,以及必要的人性化设计,以保证维护技术人员的人身安全。同时,还要考虑海运航道对风电场的影响,做好安全风险评估和预防。
摘要：研究了海上风电场的组成、国内外风电发展的现状,以及上海东海大桥海上风电场建设的关键技术,为今后海上风能资源的大规模开发提供借鉴。
关键词：海上风电,可再生能源,东海大桥海上风电场,建设技术
参考文献
[1]陆忠民.上海东海大桥海上风电场规划建设关键技术研究[J].中国工程科学,2010,12(11):19～24.
[2]吴志良,王凤武.海上风电场风机基础型式及计算方法[J].水运工程,2009,34(10):249～258.
[3]中交三航局有限公司,上海东海大桥100MW海上风机基础土建及金属结构安装工程施工组织设计[R].长春:中交三航局有限公司,2008.
一个等效电场的证明 篇9
解析 对[Q]施加外力完全是为了平衡[Q]与[MN]之间的电场力，对比一对等量异种点电荷的电场线分布可知，图1中的电场线与一对等量异种点电荷的电场线（中垂线上面）分布完全相同，也就是说题中点电荷[Q]与金属板[MN]间的电场和一对等量异种电荷中正电荷与中垂线间的电场情况完全相同，可看作等效电场. 依据库仑定律，点电荷[Q]受到的的电场力为[F=kQ24d2]，方向垂直指向金属板[MN]，故所施加的外力与之等大、反向即可.
点电荷与金属板间的电场与一对等量异种点电荷形成的电场（中垂线上面）是否真的相同，点电荷[Q]受到的电场力是否等于与金属板对称的等量负电荷对它的电场力，下面就证明这一点.
1．金属板表面感生电荷的面密度
[图2]如图2，设[A]为左壁上任一点，在左壁上取包含[A]点的面元[ΔS]，在板内极近[A]点取一点[B]（正对[A]点），其场强[E(B)]可以看作由三部分组成。
（1）点电荷[Q]激发的场强[E1(B)]
显然[E1(B)=kQcos2θd2]
（2）面元[ΔS]上的电荷[σ′(A)ΔS]激发的场强[E2(B)]
虽然[ΔS]是小面元，但只要取的[B]点与[A]点的距离足够小，则[ΔS]对[B]点仍可以看作无限大均匀带电平面，那么[E2(B)=σ′(A)2ε0=2πkσ′(A)]
（3）板的左壁上除了[ΔS]外的全部电荷激发的场强[E3(B)]
由于[E3]不含面元[ΔS]的电荷的贡献，它在[A]点是连续的，既然连续，距离极近的[A]、[B]两点的[E3]可看作相同，即[E3(A)=E3(B)]，另外左壁除了[ΔS]外所有的电荷在[A]点激发的场强显然只能沿左壁的切线方向，那么在[B]点激发的场强也沿左壁的切线方向。然而[B]是导体内一点，其合场强为零。于是有
[E1(B)cosθ=E2(B)]
即[kQcos3θd2=2πkσ′(A)]
所以[σ′(A)=σ′(θ)=Qcos3θ2πd2]
2．点电荷[Q]所受的电场力
如图3，[dS=rdrdϕ],[dq=σ′(θ)dS]
[dF=kQdqd2+r2]
[dF′=dFcosθ=kQ2d2rdrdϕ2π(r2+d2)3]
[图3]
点电荷[Q]所受的电场力
[F′=kQ2d22π02πdϕ0∞rdr(r2+d2)3=kQ24d2]
电场作用 篇10
一、电场强度(E)
1. 电场线的疏密表示电场强度的相对大小
电场线是描述电场的形象方法,用电场线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向,用电场线的疏密表示电场强度的相对大小,在同一幅图中,电场强度较大的地方电场线较密.
例1(2009年上海高考)两电荷量分别为q和-q的点电荷放在x轴上,相距为L,能正确反映两电荷连线上场强大小E与x关系的是图1中的( )
解析:如图2所示,根据两等量异种点电荷周围的电场线分布情况可知,两电荷连线的中点场强最小,但不为零,关于中点对称的连线上的两点场强大小相等,方向相同,所以两点电荷的连线上的场强先减小后增大,选项(A)项正确.
2. 等差等势面的疏密表示电场强度的相对大小
电场中电势相同的各点构成的面叫等势面,两相邻等势面间的电势之差相等的等势面叫等差等势面.等差等势面的疏密和电场线的疏密一致,同样可以表示电场强度的相对大小.
例2(2009年上海高考)位于A、B处的两个带有不等量负电的点电荷在平面内电势分布如图3所示,图中实线表示等势线,则( )
(A)a点和b点的电场强度相同
(B)正电荷从c点移到d点,电场力做正功
(C)负电荷从a点移到c点,电场力做正功
(D)正电荷从e点沿图中虚线移到f点电势能先减小后增大
解析:a、b两点处的等势面疏密程度不同,故电场强度大小不同,同时同一检验电荷在a、b两点受力方向不同,故电场强度的方向也不同,选项(A)错误;因为电场线与等势面垂直,且由电势较高的等势面指向电势较低的等势面,有φd>φc>φe>φf>φa=φb,故将正电荷由c点移到d点电场力做负功,选项(B)错误,将负电荷从a点移到c点电场力做正功,选项(C)正确;正电荷沿虚线由e点移到f点,电场力先做正功,后做负功,整个过程电场力做正功,电势能先减小后增大,选项(D)正确.选项(C)(D)正确.
3. φ-x图象的斜率表示电场强度的大小
φ-x图象表示电势随位置变化的关系.如果在x方向上取极小的一段,可以把此段对应的电场看做是匀强电场,φ-x图象上某一点切线的斜率表示该位置的电场强度.
例3(2009年江苏高考)空间某一静电场的电势φ在x轴上分布如图4所示,x轴上两点B、C的电场强度在x方向上的分量分别是EBx、ECx,下列说法中正确的有( )
(A)EBx的大小大于ECx的大小
(B)EBx的方向沿x轴正方向
(C)电荷在O点受到的电场力在x方向上的分量最大
(D)负电荷沿x轴从B移到C的过程中,电场力先做正功,后做负功
解析:根据图4电势随位置变化的规律,此电场是一正点电荷产生的电场.由φ-x图象的斜率可得到EBx>ECx,选项(A)正确;同样根据斜率可知O点x轴方向的场强为零,电荷在O点受到的电场力在x方向上的分量也为零,选项(C)错误;沿电场方向电势降低,在O点左侧,EBx的方向沿x轴负方向,在O点右侧,ECx的方向沿x轴正方向,选项(B)错误;负电荷沿x轴从B移到C的过程中,电势能先减小后增大,所以电场力先做正功后做负功,选项(D)正确.选项(A)(D)正确.
例4(2011年上海高考)两个等量异种点电荷位于x轴上,相对原点对称分布,正确描述电势φ随位置x变化规律的是图5中的( )
解析:将两个等量异种电荷的电场分为三个区域:正电荷的左侧、正负电荷之间、负电荷右侧,因电场线起始于正电荷,终止于负电荷,在正电荷的左侧,电场线向左侧;正、负电荷之间,电场线向右侧;负电荷右侧,电场线向左侧.根据电场线指向电势降低的方向和两个等量异种点电荷中点的场强不等于零(利用图象的斜率判断)而电势等于零的特点,逐段分析知选项(A)正确.
二、电势(φ)
1. 电场线指向电势降低的方向
电场线不仅可以通过疏密程度表示场强的相对大小,而且沿其方向电势降落最快.
例5(2008年江苏高考)如图6所示,实线为电场线,虚线为等差等势线,且AB=BC,电场中的A、B、C三点的场强分别为EA、EB、EC,电势分别为φA、φB、φC,AB、BC间的电势差分别为UAB、UBC,则下列关系中正确的有( )
解析:A、B、C三点处在一条电场线上,沿着电场线的方向电势降低,有φA>φB>φC,选项(A)正确;由电场线的疏密程度可以看出电场强度的相对大小关系为EC>EB>EA,选项(B)正确;由图6中的等差等势线的分布可以直接看出UAB
2. 电场线由电势高的等势面指向电势低的等势面
等势面也是用来形象描绘电场的,等势面和电场线的关系:电场线跟等势面垂直,并且由电势高的等势面指向电势低的等势面.
例6(2009年全国高考Ⅰ)如图7所示,一电场的电场线分布关于y轴(沿竖直方向)对称,O、M、N是y轴上的三个点,且OM=MN.P点在y轴右侧,MP⊥ON.则( )
(A)M点的电势比P点的电势高
(B)将负电荷由O点移动到P点,电场力做正功
(C)M、N两点间的电势差大于O、M两点间的电势差
(D)在O点静止释放一带正电粒子,该粒子将沿y轴做直线运动
解析:由图7可知M和P两点不处在同一电场线上,这时可以根据电场线和等势线的特点分别大致画出过M点和P点的等势线,如图8中的虚线所示,由于电场线由电势高的等势面指向电势低的等势面,有φM>φP,选项(A)正确;同理,有UOP>0,将负电荷由O点移到P点电场力做负功,选项(B)错误;可以借助匀强电场中的公式U=Ed及电场线疏密程度定性讨论UOM、UMN的大小,O到M的平均电场强度大于M到N的平均电场强度,所以有UOM>UMN,选项(C)错误;从O点释放带正电粒子后,该粒子所受电场力的方向始终沿y轴正方向,则带电粒子将沿y轴做直线运动,选项(D)正确.选项(A)(D)正确.
3. 利用UAB=φA-φB判断电势的变化
若电场中A点的电势为φA,B点的电势为φB,则它们之间的电势差可以表示为UAB=φA-φB,当A点电势比B点高时,UAB为正值,UBA则为负值.
例7(2009年福建高考)如图9所示,平行板电容器与电动势为E的直流电源(内阻不计)连接,下极板接地.一带电油滴位于电容器中的P点且恰好处于平衡状态.现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离,则( )
(A)带电油滴将沿竖直方向向上运动
(B)P点的电势将降低(C)带电油滴的电势能将减小
(D)若电容器的电容减小,则极板带电荷量将增大