Холодный катод своими руками

Добавил пользователь Skiper
Обновлено: 30.08.2024

Изобретение относится к источникам свободных электронов. Холодный катод, состоит из проводящего электрический ток твердого тела, параллельно поверхности которого на расстоянии менее 0,1 мм от нее установлена пленка графита толщиной от одного до шести атомных слоев, пленка графита держится на расположенных на поверхности твердого тела частицах диэлектрика с электрической прочностью 10 8 ?10 9 В/м. Параллельно пленке графита над ее внешней поверхностью установлена металлическая сетка на непроводящем электрический ток держателе, к твердому телу, пленке и сетке присоединены электрические вводы. Между пленкой графита и твердым телом прикладывают электрическое напряжение, при этом под действием электрического поля со средней напряженностью более 10 8 В/м возникает ток автоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела. Технический результат: получение потока свободных электронов с плотностью эмиссионного тока до 100 кА/см 2 . Эффективность холодного катода (отношение эмиссионного тока к току в промежутке твердое тело - пленка графита) равна 0,90-0,99. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Холодный катод, состоящий из проводящего электрический ток твердого тела, отличающийся тем, что, с целью увеличения силы тока эмиссии электронов, параллельно поверхности твердого тела на расстоянии менее 0,1 мм от нее установлена пленка графита толщиной от одного до шести атомных слоев, пленка графита держится на расположенных на поверхности твердого тела частицах диэлектрика с электрической прочностью 10 8 ?10 9 В/м, к твердому телу и к пленке графита присоединены электрические вводы.

2. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что частицы диэлектрика частично внедрены в объем твердого тела, частично выступают над поверхностью твердого тела.

3. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что между частицами диэлектрика на поверхность твердого тела нанесены сплавленные с этой поверхностью частицы металла, диаметр которых меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита, при этом среднее расстояние между всеми расположенными на поверхности твердого тела частицами равно от нуля до двух диаметров частиц металла.

4. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что между частицами диэлектрика к поверхности твердого тела прикреплены проводящие электрический ток нанотрубки, ось которых перпендикулярна этой поверхности, а длина меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита.

5. Холодный катод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что параллельно пленке графита над ее внешней поверхностью установлена металлическая сетка на не проводящем электрический ток держателе, к сетке присоединен электрический ввод.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к источникам свободных электронов. Холодный катод может применяться в люминесцентных источниках света, в электронных лампах (вакуумных и газонаполненных), в ускорителях электронов, при обработке электронными пучками деталей машин и механизмов и других изделий, а также в фильтрах очистки газов от токсичных радикалов и молекул, обладающих сродством к электрону.

Известен холодный катод. Он представляет собой металлическое острие, к которому приложено электрическое напряжение. Его недостатком является необходимость использования больших электрических напряжений.

Наиболее близким техническим решением можно считать холодный катод, состоящий из металлической подложки, пленки диэлектрика на ее поверхности с электрической прочностью 10 9 В/м, металлической пленки, нанесенной на пленку диэлектрика, и электрических вводов, присоединенных к металлической подложке и металлической пленке /а.с. № 1802632 от 09.11.1992 г. Способ изготовления холодного МДМ-катода. С.А.Гынгазов, П.Е.Троян./.

Его недостатками являются малая плотность тока эмиссии электронов (до 1 А/см 2 ), небольшой срок службы, а также необходимость предварительной подготовки (формовки) катода, в результате которой вследствие электрического пробоя диэлектрической пленки возникают формовочные эмиссионные каналы диаметром 10 нм и плотностью (10?1000) 1/мм 2 . Эффективность катода (отношение эмиссионного тока к сквозному току через диэлектрическую пленку в промежутке металлическая подложка - металлическая пленка) равна 0,1 и мала из-за малой площади эмиссионных каналов, в которых происходит ускорение электронов электрическим полем /Троян П.Е. Электрическая формовка тонкопленочных структур металл-диэлектрик-металл в сильных электрических полях. Томск: Изд-во ТГУ, 2003. 178 с./.

Целью изобретения является увеличение плотности и силы тока эмиссии электронов, увеличение эффективности холодного катода и срока его службы, а также устранение необходимости предварительной формовки катода.

Для этого параллельно поверхности проводящего электрический ток твердого тела на расстоянии менее 0,1 мм от нее установлена пленка графита толщиной от одного до шести атомных слоев, пленка графита держится на расположенных на поверхности твердого тела или частично внедренных в объем твердого тела частицах диэлектрика с электрической прочностью 10 8 ?10 9 В/м. Параллельно пленке графита над ее внешней поверхностью установлена металлическая сетка на непроводящем электрический ток держателе, к твердому телу, пленке графита и сетке присоединены электрические вводы.

На фиг.1 приведена схема устройства. Холодный катод состоит из твердого тела 1, пленки графита 2, частиц диэлектрика 3, металлической сетки 4, держателя сетки 5 и электрических вводов 6. Элементы 4 и 5 могут отсутствовать, если это обусловлено условиями применения холодного катода.

На пленку графита со стороны твердого тела действует кулоновская сила притяжения (если напряженность поля равна 10 8 В/м, тогда эта сила равна 9 Н/см 2 ). Под действием этой силы происходит деформирование пленки. Величина этой деформации зависит от упругости пленки и от среднего расстояния между частицами 3. В случае применения графена в качестве пленки величина этой деформации мала из-за большой механической жесткости графена, равной 1 ТПа. Частицы 3 расположены на поверхности таким образом, чтобы изменение микрорельефа поверхности и деформирование пленки под действием кулоновской силы не влияли существенным образом на расстояние между пленкой и твердым телом. Для этого среднее расстояние между частицами 3 равняется от 0,3 до 7 диаметров этих частиц. В качестве частиц 3 могут быть использованы частицы выпускаемых промышленностью керамических ультрадисперсных порошков (SiO 2 и др.).

На поверхность твердого тела между частицами диэлектрика могут быть нанесены сплавленные с этой поверхностью частицы металла, диаметр которых меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита, при этом среднее расстояние между всеми расположенными на поверхности твердого тела частицами равно от нуля до двух диаметров частиц металла. В этом случае в связи с уменьшением расстояния между пленкой графита и поверхностью твердого тела увеличивается напряженность электрического поля и, соответственно, увеличивается плотность тока автоэлектронной эмиссии электронов. Частицы металла сплавлены с поверхностью твердого тела для устранения их движения между пленкой графита и поверхностью твердого тела под действием электрического поля.

Между частицами диэлектрика к поверхности твердого тела могут быть прикреплены проводящие электрический ток нанотрубки, ось которых перпендикулярна этой поверхности, а длина меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита. В этом случае в связи с увеличением напряженности электрического поля возле концов нанотрубок увеличивается сила тока автоэлектронной эмиссии.

Эффективность холодного катода равна 0,90-0,99, а плотность эмиссионного тока достигает 100 кА/см 2 . Эффект улучшения характеристик холодного катода по сравнению с прототипом достигается благодаря тому, что на семь порядков увеличивается площадь поверхности твердого тела, испускающей электроны (по сравнению с площадью эмиссионных каналов), и уменьшается сквозной ток через пленку диэлектрика из-за значительного уменьшения ее площади. Отпадает необходимость в формовке катода. Холодный катод может функционировать в вакууме и в среде газов, не взаимодействующих с материалами, из которых изготовлен катод.

Термин холодный катод используется для электронных ламп, когда катод не нагревается.

В трубках этого типа для эмиссии электронов используется не термоэлектронный эффект . Этот тип катода является обычным для газовых трубок, а также может использоваться для некоторых вакуумных трубок, таких как, например, рентгеновские трубки .

Резюме

Методы

В некоторых холодных катодах используется методика, заключающаяся в нанесении на катод слоя редкоземельных элементов для получения эмиссии электронов.

Другой метод , используемый в газовых труб является добавление источника бета - излучения для инициирования ионизации в газе в трубе.

В вакуумных трубках с полевой эмиссией используются нанотрубки, образующие выпуклости, которые при воздействии электрического поля обладают способностью испускать электроны.

Примеры

Лучший пример - неоновая трубка (для освещения и вывесок). Другой пример - трубка Никси . Другие лампы используют этот метод, такие как тиратрон , критрон , спритрон , игнитрон и автоэмиссионная вакуумная лампа .

Интерес

Основное преимущество холодных катодов - снижение потребления по сравнению с обычными лампами, что обеспечивает более высокий КПД . Срок службы также значительно увеличен по сравнению с люминесцентной лампой, что позволяет использовать ее в устройствах постоянного аварийного освещения для обеспечения визуального комфорта при минимальных эксплуатационных расходах (минимальный срок службы 40 000 часов).

Устройство и принцип действия: управляемый газоразрядный прибор (рисунок 58). Имеет анод, катод и одну или две сетки. С помощью сеток обеспечивается момент открытия тиратрона, т. е. возникновение разряда

U_а, В

–

I_с, мA

U_a

U_с

R_а

R_с

Рисунок 58 – Тиратрон с холодным катодом:

а – схема включения; б – ВАХ; в – конструкция

Сопротивление в цепи сетки (R_c) – приблизительно десятки мегаом, при таком сопротивлении потенциал сетки составляет около 70 – 90 В, а ток I_c – доли микроампер. Между сеткой и катодом возникает начальный разряд. Ток анода I_a = 0. Если U_c увеличивается, то растет ток I_c и число электронов, прошедших через отверстие сетки в анодную область. При некотором значении сеточного тока I_CЗ (тока зажигания) энергия электронов достаточна для развития разряда в промежутке А – K, режим тлеющего разряда обеспечивается выбором R_a. Эмиссия электронов из катода проходит за счет бомбардировки его поверхности ионами. После возникновения разряда между A – K сетка теряет свои управляющие свойства, так как заряженные частицы создают вокруг нее плотную оболочку, нейтрализующую поле сетки.

Характеристика зажигания тиратрона – зависимость напряжения на аноде от тока сетки, при котором возникает разряд: U_a = f (U_c). Характеристика зажигания имеет разброс (область зажигания). Более стабильные характеристики имеют двухсеточные тиратроны. Тиратроны с холодным катодом обладают высокой экономичностью, большой долговечностью (5000 ч). Применяются в схемах формирования импульсов.

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и дешевых видов топлива, в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

разобрать вопрос, как сделать водородный генератор с минимальными затратами;
рассмотреть возможность применения генератора водорода для отопления частного дома, заправки авто и в качестве сварочного аппарата.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
второй резервуар играет роль водяного затвора;
трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

Плоские деревянные палочки скрутите саморезами, располагая их концами в разные стороны. Спаяйте головки шурупов между собой и подсоедините провода – получите будущие электроды.
Проделайте отверстие в крышке, просуньте туда разрезанный корпус капельницы и провода, затем герметизируйте с 2 сторон клеевым пистолетом.
Поместите электроды в бутылку и завинтите крышку.
Во второй крышке просверлите 2 отверстия, вставьте трубки капельниц и накрутите на бутылку, заполненную обычной водой.

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
шпильки стяжные М10—14;
обратный клапан для газосварочного аппарата;
фильтр водяной под гидрозатвор;
трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема водородной установки мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м? гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

53 Replies to “Как сделать генератор водорода в домашних условиях”

Спасибо за Ваше замечание по количеству трубок.
В статье не стоит задача что-то доказывать. Излагается ситуация на данный момент и общее руководство по изготовлению генератора — ежели кто захочет.

Получать горючий газ HHO можно по методу (реакция) Марсоля, разлагая воду на цинке и сурьме, всё.

Боюсь, этот метод ничем не лучше других. Если изучить скудную информацию по данной теме, то в глаза сходу бросается 3 нестыковки:
1. Вода в молекулярном двигателе Марсоля разлагается на кислород и водород, минуя паровую фазу. Нонсенс.
2. Насос и сопротивление затрачивает электричество, поршень совершает механическую работу. Каково соотношение затраченной и полученной энергии, неизвестно.
3. Потери теплоты в насосе и молекулярном двигателе неизбежны.
Сдается мне, разложение электролизом куда перспективнее.

Все очень даже работает, я езжу на 3-литровом моторе с расходом в 7-8 литров самого дешманского бензина. И что радует помимо экономии, что в конях прибавка около 15%,так что жизнь налаживается, да и ресурс мотора до 40% увеличивается, вот как-то так!

Да статья интересная,а еще интереснее как работают автомобильные газогенераторы. Ведь как уже слышно налаживается серийный выпуск автомобилей на водородном топливе заправляемые обычной водой,то есть там стоит газогенератор и как слышал и КПД намного выше.

Есть ещё один важный момент, который не рассмотрен в статье: это увеличение эффективности природных источников энергии с помощью электролиза. Как известно, для получения солнечной энергии можно использовать солнечные панели, либо коллекторы. Но эти решения трудно использовать для отопления, так как солнце наиболее интенсивно светит днём и летом, а топить нужно зимой и ночью. Потому напрямую греть ТЭН от солнечной панели не получится.
Чтобы запасать энергию, используются аккумуляторы, но у них низкий КПД и короткий срок службы в циклическом режиме.
И тут интересно рассмотреть возможность использования электролиза для запасания солнечной (или ветровой) энергии. Например летом на солнце использовать электричество солнечной панели, чтобы получить запас водорода, а ночью зимой этот водород сжигать в водородном котле. То что у системы низкий КПД — в этом случае не важно, солнца ведь и так много. Гораздо важнее насколько безопасно получится запасать водород в больших объёмах, чтобы потом использовать по мере необходимости.

Ваша идея запасать водород на ночь, используя солнечную энергию днем, действительно интересна. В статье мы не рассматривали эту возможность, потому что никто не применял подобную схему на практике. Во всяком случае, нам неизвестны такие факты. Ну и конечно, надо считать выгоду – во сколько обойдется производство водорода днем (плюс стоимость оборудования) и обычное отопление по ночному тарифу.

Мной давно рассмотрена идея синтеза водорода при помощи гибрида ветряка и солнечными элементами, последующим электролизом и связыванием водорода в гидрид алюминия.

То что водородная установка работает это 100% правда , я сам ими занимался 25 лет назад. Вопрос только в том кто вам даст этим заниматься ? Нефтеные магнаты тоже хотят кушать и они вас съедят за эти установки. 2 вопрос , куда вы денете миллионы безработных которых уволят с нефтеперерабатывающих заводов?
Установка РАБОТАЕТ.

То, что установка работает известно давно. Ещё в СССР хотели запустить автобусы на водороде. Не дали, по причине причинения вреда экономике.

Для повышения КПД, наверно, надо генератор с частотой резонансной колебательной частоте молекулы воды.

И мне если можно . Разрабатываю газообразный водород в сухой для овощных зерновых культур

Поделитесь чертежами пожалуйста,мне для отопления дома.Можете?

А если водород собирать из системы водяного отопления, которая работает на электричестве. У которой в котле вместо электроТЭНов будет стоять реактор из пластин?

Не думаю, что это хорошая идея. Львиная доля энергии будет расходоваться на нагрев теплоносителя, который постоянно идет из системы отопления. Водорода выделится мизер, и как его улавливать? На выходе воздухоотводчика?? Да и смысл этим заниматься, если все равно греем воду электрокотлом.

Для чего надо лезть в мировую экономику, просто создать для себя комфортные условия проживания, а на остальных плевать нет народа в стране у всех хата скраю, Сибирь горит и лес миллионами кубометров вывозят, а народишку наплевать, так и тут, сделал для себя и плюй в потолок:)

Читайте также: