Сухая вода: свойства и область применения жидкости Novec

Что такое сухая вода?

Рецепт сухой воды придумали в компании 3М в 90-х годах прошлого столетия. По-научному эта жидкость называется Novec. Факт открытия этого хладагента стал настоящим прорывом. Ведь он имела цель заменить опасные для озонового слоя фрионы.

Сегодня под маркой Novec выпускается несколько разновидностей жидкости. Отличаются они друг от друга плотностью, температурой кипения и некоторыми другими характеристиками. Но, в общем, все они имеют довольно удивительные свойства в той или иной степени.

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Вес, вязкость, текучесть

Свойства нового вещества Novec – уникальны. Ими не обладает ни один другой состав. Оно значительно тяжелее обычной воды. Если, к примеру, взять двух литровую бутылку Novec и поставить на весы, то их стрелка приблизится к показателю в 3 килограмма. Плотность жидкости – 1,5 грамма на сантиметр кубический.

Вязкость сухой воды ниже чем у обычной в два раза. Поэтому ее текучесть превосходит даже текучесть спирта. Отсюда и необычные смачивающие свойства. Если, например, окунуть две одинаковые бумажные салфетки в Novec и в обычную воду, то разницу можно увидеть сразу. В обычной воде бумага быстро размокнет. В сухой воде салфетка лишь немного станет влажной, а вскоре после того, как ее вынут из жидкости она вновь окажется абсолютно сухой. Создается впечатление, что эта жидкая субстанция ничего не смачивает. Но, на самом деле она просто слишком подвижна.

ВАХ-характеристики

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как IOP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

Можно ли смешать сухую и обычную воду?

Помимо вышеперечисленных удивительных свойств, у сухой воды есть еще одна особенность. Она легко отторгает другие вещества. Например, в Novec не поплывут на бумаге чернила или краска от фломастера. Что практически невозможно предотвратить в обычной жидкости.

В кипящей сухой воде вы не сможете даже заварить чай из пакетика. Эта жидкость не может растворить вещества из чайных листьев.

Смешать обычную и сухую воду также не получится. Убедиться в этом можно, если капнуть в такую смесь краситель, например, зеленку. Вы увидите четкую границу между жидкостями. Зеленка растворится в обычной воде, а сухая останется прозрачной. Такой же эффект получится, если пробовать смешать Novec со спиртом.

Где купить и сколько стоит сухая вода?

Купить сухую воду довольно сложно. Сделать это можно разве что, имея знакомых, которые работают на специфических производствах или в специализированных интернет-магазинах. За один литр вам придется заплатить 4 и более тысяч рублей. За бочку в 15 килограммов придется заплатить более 2 тысяч евро.

Пожаротушение сегодня остается главной областью применения Novec. Однако в Китае уже пытаются использовать эту жидкость как хладагент для охлаждения вычислительной техники. И, возможно, скоро рецепт сухой воды будет использоваться также для охлаждения процессоров домашних компьютеров.

Зависимость сопротивления от температуры

Самое распространенное действие тока – это тепловое действие. Как уже было отмечено в прошлой главе, механизмом этого действия является столкновение электронов с узлами кристаллической решетки, в результате чего кинетическая энергия электронов переходит во внутреннюю энергию проводника.

В свою очередь, имея повышенную внутреннюю энергию, узлы решетки начинают колебаться быстрее, чаще сталкиваясь с электронами. То есть электроны тормозятся более эффективно. Иными словами при увеличении температуры проводника увеличивается его электрическое сопротивление.

Простым опытом, подтверждающим этот теоретический вывод, может служить нагревание проводника в цепи со включенной лампой и измерительными приборами (см. рис. 3).

Рис. 3.

По мере прогревания проводника как лампа начнет светить менее ярко, так и приборы станут показывать падение силы тока.

После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры:

Или же:

Здесь: – сопротивление при заданной температуре, – сопротивление при температуре ; – изменение температуры относительно ; – температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент – табличная величина, известная для большинства металлов. Размерность коэффициента:

Так как при изменении температуры линейные размеры проводников меняются незначительно, значит, меняется удельное сопротивление, причем по такому же закону:

Применение сверхпроводимости

Применение сверхпроводимости чрезвычайно облегчает многие технические аспекты использования электрического тока. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание, которые, как правило, составляют 15% всей энергии. Как подтверждение можно привести опыт по двухгодичному пропусканию тока через проводник, погруженный в жидкий гелий, который прервался только из-за нехватки гелия

Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники

Кроме того в сверхпроводниках протекают из-за отсутствия сопротивления чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе.

Бытовой пример использования сверхпроводников – это существующая на сегодняшний момент железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке (рис. 6):

Рис. 6. Поезд на магнитной подушке

Высокотемпературные сверхпроводники

После открытия сверхпроводимости Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты.

Также чрезвычайно важное открытие было сделано в 1986 году. Были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около

Такие температуры возможно получать, используя жидкий азот, который значительно дешевле жидкого гелия. Однако при попытке создания таких сверхпроводящих проводов и кабелей столкнулись с проблемой чрезвычайной хрупкости таких материалов, которые рассыпаются в процессе прокатки. На данный момент продолжаются работы по решению этой проблемы.

На следующем уроке мы рассмотрим электрический ток в полупроводниках.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Storage.mstuca.ru (Источник).
2. Physics.ru (Источник).
3. Элементы (Источник).

Домашнее задание

1. Как зависит сопротивление металлов от температуры? Чем обусловлена такая зависимость?
2. Во сколько раз увеличится сопротивление медного провода при повышении температуры от 200 до 300?
3. На подключенную в сеть спираль электроплитки попала вода. Как изменилось накаливание плитки?
4. *Все ли металлы становятся сверхпроводниками при охлаждении до достаточно низких температур?