Обманчивая «земля» — когда потенциал отличен от нуля
«Земля» в электрических схемах часто понимается как нечто незыблемое с нулевым потенциалом. Однако это далеко не всегда так, что и доказывают рассматриваемые в статье простые примеры.
При изучении теории электрических цепей, как правило, знакомятся также с методами их анализа. Двумя наиболее известными и, в какой-то мере, схожими между собой методами являются метод узловых потенциалов и метод контурных токов. Анализ цепи по методу узловых потенциалов начинается с выбора опорного узла, который, как предполагается, обладает нулевым потенциалом и обозначается как «земля».
Это допущение не влияет на корректность расчетов, если нет необходимости учитывать соотношение напряжений между анализируемой цепью и другими объектами. В то же время, выбор одного общего узла для нескольких цепей помогает упростить расчеты и их анализ.
В процессе изучения методологии расчета электронных схем мы обычно пропускаем множество полезных методов анализа, к которым относятся метод суперпозиции, принципы эквивалентного генератора ЭДС и эквивалентного генератора тока, а также метод контурных токов. На практике, в основном, используется только метод узловых потенциалов и контурных токов (см. рис. 1).
а) узловых потенциалов;
б) контурных токов
После нескольких лет использования только такого подхода существует большая вероятность забыть многие фундаментальные понятия в теории электрических цепей, что, в свою очередь, порождает, например, заблуждения о полной безопасности использования раздельных земляных слоев для разных участков схем.
Распространенные заблуждения
Земля на схеме часто рассматривается как некое кладбище для всех зарядов. На практике же это далеко не так. Узел цепи, принимаемый за землю, мы выбираем сами. В нем нет ничего особенного, кроме того, что он обычно является общим для нескольких цепей. Такой узел не имеет особых физических свойств, а единственными накопленными зарядами в нем являются отрицательные заряды обкладки конденсаторов, у которых один из выводов соединен с землей. Все остальные имеющиеся заряды циркулируют по цепи (см. рис. 2). Следует четко понимать, что токи протекают по определенному контуру и в конечном итоге возвращаются к своему источнику.
Несмотря на то, что земляной слой схемы защищен от помех в цепях, большинство шумовых токов проходит через общий узел (см. рис. 3). Только благодаря корректному проектированию цепи сопротивление земляного слоя имеет незначительную величину, а разность потенциалов, как следствие, стремится к нулю.
Бытует мнение, что разделение земли двух связанных между собой цепей обеспечивает защиту схемы с низким уровнем шума от воздействия более высоких шумов другой схемы. Однако такой подход может стать одной из худших ошибок, которые инженер, работающий с радиочастотными приложениями, может по незнанию совершить. Разделение земли на части во многих случаях приводит к увеличению шума в передаваемом сигнале. Это утверждение может показаться нелогичным, но становится понятным при рассмотрении полной схемы передачи как (см. рис. 4). Аналогичный эффект также наблюдается при подключении МОП-структур к выделенному земляному слою.
Цепи питания и земли могут иметь разное время переключения. Рассинхронизация возникает из-за различий во времени задержки работы элементов и различий в форме сигналов. В том случае, когда земляной слой имеет относительно высокое полное сопротивление, активное напряжение заметно падает на питающей и земляной шинах, что снижает эффективное напряжение питания и увеличивает задержку в работе КМОП-элементов. Кроме того, даже если среднее падение напряжения на шине невелико, шумовые токи могут создавать значительное переходное шумовое напряжение. Как видно из рисунка 6, фронт сигнала, который поступает на вход от внешнего блока или тестовой микросхемы, может иметь временной сдвиг [1]. Его уровень зависит от величины переходного шума и полярности. Этот эффект заметнее проявляется в случае сигналов с большим временем нарастания/спада.
Разделять или не разделять?
Одним из важных моментов, требующих внимания, является правомерность разделения земли на разных участках схемы. После прочтения предыдущего раздела у читателей может сложиться впечатление, что разделение земли является нежелательным этапом проектирования. В то же время, часто это является обычной практикой. В общем случае проектирование единого слоя земли с низким сопротивлением и низкой индуктивностью намного лучше, чем проектирование нескольких земляных шин, когда необходимо учитывать обратные токи и магнитное взаимодействие контуров большой площади с протекающими в них высокочастотными токами.
Тем не менее, в определенных случаях нет возможности избежать разделения земляных шин. Например, у нас имеется кварцевый генератор и цифровой блок с высоким уровнем шумов, которые совместно используют один земляной слой, как показано на рисунке 7. В цифровой блок поступают шумовые токи от источника питания, которые затем возвращаются через земляную шину и соединительный провод. В результате на проводе земли напряжение существенно искажено. Поскольку этот связующий провод является общим для цифрового блока и кварцевого генератора, искажения накладываются на синусоидальное напряжение генератора.
При необходимости разделить земли рекомендуется сделать следующее.
- Установите как можно больше развязывающих конденсаторов вокруг блока с высоким уровнем шума (см. рис. 8), чтобы уменьшить количество шумовых токов и свести к минимуму искажения на смежных блоках и их выходах.
- Минимизируйте электрическое взаимодействие или ток между блоком с высоким уровнем шума и другими блоками. Для этих целей на участке с высоким уровнем шума используйте драйверы с высоким выходным сопротивлением, а в области с низким уровнем шума – буферы с высоким входным сопротивлением.
Земляной узел выбирается условно для упрощения анализа цепи. Все заряды перемещаются в контурах и не прекращают в нем свое движение.
Чтобы предвидеть и разрешать проблемы, связанные с землей, следует представить полную схему со всеми физическими соединениями без земляного узла. Определите в ней контуры и пути протекания тока. Прежде чем принимать проектное решение об объединении или разделении земли в разных областях, тщательно изучите возможные последствия.
Рассмотрим пример. Слева на рисунке 9 показан источник тока на N‑канальном МОП-транзисторе с конечным значением полного сопротивления стока. Какова величина импеданса со стороны источника напряжения питания на низкой частоте? Ответ очевиден: импеданс зависит от выходной характеристики конкретного транзистора.
Рис. 9. Определение земляного узла не влияет на значение импедансаТеперь в той же схеме выберем сток N‑канального МОП-транзистора в качестве земляного узла, а не источника питания, как показано на рисунке 9 справа. Значение импеданса осталось прежним – изменился только потенциал вывода «+» у источника напряжения относительно земли. Не следует обманываться в таких случаях при определении земляного узла.
Литература
- Maxim Integrated Application Note #4345. Well Grounded, Digital Is Analog.
Земля (электроника)
Земля в электронике — узел цепи, потенциал которого условно принимается за ноль, и все напряжения в системе отсчитываются от потенциала этого узла. Выбор земли произволен, однако на практике чаще всего за землю принимают один из выводов источника питания. При однополярном источнике обычно землёй считают его отрицательный вывод, при двуполярном источнике за землю принимают его среднюю точку. Иногда в англоязычной литературе на схемах обозначается GND.
1. Разновидности Сигнальная земля
Сигнальная земля — узел цепи, относительно которого отсчитываются потенциалы сигналов в схеме. Соответственно, сигналы подаются в схему и снимаются со схемы таким образом, что один вывод источника приёмника сигнала подключен к сигнальной земле.
Виртуальная земля
В электронных схемах могут существовать такие узлы, потенциал которых равен потенциалу земли, при том, что они не имеют короткого соединения с землёй. Узел, обладающий такими свойствами, называют виртуальная земля. Классическим случаем виртуальной земли является инвертирующий вход операционного усилителя, включенного как инвертирующий усилитель.
2. «Мекка» заземления
В некоторых случаях даже сплошной медный проводник не обеспечивает достаточной эквипотенциальности по всей своей длине. Такая ситуация имеет место при протекании большого тока по земляному проводнику малого сечения. В результате потенциал в различных точках земли может отличаться на десятки милливольт. В некоторых случаях это может привести к нежелательным последствиям. Например, если несколько мощных нагрузок подключены к источнику напряжения через общую земляную шину, то изменение тока, потребляемого одной нагрузкой, будет вызывать изменение напряжения на всех остальных нагрузках. Для минимизации подобного взаимного влияния земляные проводники, идущие к каждой нагрузке, должны расходиться от одной точки, которая и получила название «мекка» заземления.
От этой же точки следует брать потенциал для обратной связи в стабилизаторе, который регулирует напряжение для нагрузок, подключённых к «мекке» заземления. При этом можно быть уверенным, что выходное напряжение стабилизатора стабилизировано относительно «мекки» заземления, а не какой-либо другой точки шин заземления.
Дата публикации:
05-16-2020
Дата последнего обновления:
05-16-2020В Европе создадут цифровую копию Земли
Проект Destination Earth (DestinE) начнет работу над созданием цифровой копии планеты Земля при помощи нескольких суперкомпьютеров в разных странах ЕвропыЕвропейский союз начинает работу по созданию серии цифровых копий, конечная цель которой – полностью смоделировать планету Земля.
Проект DestinE предусматривает создание экологических, социальных и экономических поведенческих моделей и станет частью цифровой стратегии региона и Зеленого пакта, а кроме того – важнейшей составляющей Европейской стратегии в области данных. Другой его целью является укрепление промышленного и технологического потенциала Европы в области имитации, моделирования, предиктивной аналитики данных и искусственного интеллекта (ИИ), а также высокопроизводительных вычислений.
Система сможет выполнять высокоточное динамическое моделирование природных комплексов Земли (с акцентом на конкретные области, например, морскую, сухопутную, прибрежную, атмосферу). Ее создание займет от 7 до 10 лет и пройдет в рамках программы цифровизации Европы. Предусмотрено использование результатов исследований программы «Горизонт Европа» и данных, полученных обновленной космической программой.
В центре проекта – интегрированная облачная платформа имитации и моделирования, обеспечивающая доступ к данным, перспективной вычислительной инфраструктуре (включая высокопроизводительные вычисления), программному обеспечению, системам искусственного интеллекта и аналитике. Внедренные в нее цифровые копии будут использоваться для предоставления информации, услуг, моделей, сценариев, имитаций, прогнозов и генерирования изображений. Кроме того, платформа позволит разрабатывать приложения и вводить собственные данные пользователей.
Проект будет спонсировать Совместное предприятие EuroHPC, которое инвестирует в суперкомпьютеры всех государств-членов 8 млрд евро. Вероятнее всего, DestinE разместят на одном из трех основных суперкомпьютеров EuroHPC, создаваемых в настоящее время: LUMI в Финляндии, MareNostrum 5 в Испании или Leonardo в Италии.
Первоначально DestinE будет обслуживать государственные органы, но постепенно доступ к нему получат ученые и представители промышленности, это поможет стимулировать инновации и обеспечит возможность сравнительного анализа моделей и данных.
Запустить базовую облачную платформу и создать две первые цифровые копии планируется к 2023 году, а к 2025-му – закончить еще четыре-пять копий и предложить пользователям государственного сектора услуги по разработке, мониторингу и оценке воздействия предлагаемых ими политических и законодательных мер, касающихся окружающей среды и климата.
Согласно плану, полная цифровая копия Земли будет получена за счет объединения копий, которые будут внедрены в платформу с 2025 по 2030 годы.
02 марта 2021 года // Ник Флаэрти
ec.europea.eu
Проект Destination Earth (DestinE) начнет работу над созданием цифровой копии планеты Земля при помощи нескольких суперкомпьютеров в разных странах Европы
что это такое, описание и характеристики
Профессиональные электрики хорошо разбираются в понятиях фаза и ноль. Разобраться в терминологии и уметь определять параметры электрических сетей будет полезно простым обывателям и новичкам профессий, так или иначе связанных с электромонтажными работами. Подобные знания позволят безопасно подключить бытовые приборы, оборудование, розетки или осветительную арматуру.
Что такое фаза и ноль
Ток поступает в помещение от генераторов, установленных на подстанциях. Из агрегата выходят три фазы и один ноль. Движение электричества закольцовано. По фазовому проводу ток поступает к потребителям, а выходит обратно с помощью нулевого и возвращается в трансформатор. Если движение остановлено, то электроэнергия отсутствует.
Источник: avatars.mds.yandex.netПриборы с помощью розетки включаются в это движение. Возникает вопрос, почему нулевой провод, по которому тоже проходит электричество, не опасен. Все дело в потенциале. Ноль имеет нулевой потенциал. Чтобы разобраться в этом понятии, можно представить два резервуара, один из которых установлен на земле, а второй – зафиксирован на высоте. Если пробить дно второй емкости, то жидкость из нее польется под напором. Потенциал и есть сила течения воды в данном случае. При повреждении дна резервуара, стоящего на земле, жидкость не польется, то есть потенциал будет нулевым. Движение потока из верхней емкости в нижнюю объясняется разницей потенциалов. Применимо к электротехнике, отличие между потенциалами ноля и фазы равно 220 Вольт (для России).
Тело человека обладает нулевым потенциалом. Нулевой провод заземлен, его потенциал сбрасывается в землю. При отсутствии разницы в потенциалах движение электрического тока отсутствует. Таким образом, человек не получает удара. Опоры электропередач и подстанции конструируют таким образом, чтобы потенциал с ноля сбрасывался в землю.
Источник: avatars.mds.yandex.netФаза предназначена для движения электрического тока. Когда электроприбор подключается с помощью розетки, цепь замыкается. В случае, когда нулевой провод сбрасывает этот потенциал на ближайшей опоре, а человек касается оголенного ноля этой точки, потенциал будет сбрасываться через проводник по пути наименьшего сопротивления, то есть через тело.
Источник: avatars.mds.yandex.netПо этой причине электрооборудование в обязательном порядке заземляется. В этом случае при повреждении проводки и протекания потенциала через корпус устройства, потенциал будет сбрасываться в землю, и не пройдет через человека при контакте. Фаза всегда обладает потенциалом, а нулевой провод только в том случае, когда есть соединение с фазовым кабелем через нагрузку, то есть подключенный потребитель, и до ближайшего места сброса этого потенциала в землю.
Варианты определения проводников «фаза»/«ноль»
Важно соблюдать технику безопасности для обозначения параметров электропроводки. Для этого необходимо использовать специальные приборы. Предварительно следует остановить движение тока, чтобы цепь не была замкнута нагрузкой. Ремонтируемый участок электропроводки отключается от общей цепи. Существует несколько простых способов отличить фазу и ноль в домашних условиях.
Как правило, провода обладают цветной маркировкой. Корректность выбора цвета определяется качеством работ и опытом специалиста. Поэтому доверять подобной индикации следует не всегда, лучше проверить самостоятельно фазу и ноль, либо поставить задачу опытному электрику.
Проверка с помощью электрической лампы
Способ достаточно прост для применения. Понадобиться стандартный патрон и лампочка. Два провода необходимо соединить со штатными местами подключения патрона. Один из проводников следует соединить с заземлением в розетке, а второй – подключить к любому силовому разъему. Если при подключении к разъему лампочка загорается, то найдена фаза.
Источник: rusenergetics.ruИндикаторная отвертка
С помощью бытового указателя напряжения можно быстро обнаружить фазный провод в электросети, напряжение в которой составляет 220-230 Вольт. Индикаторные отвертки представлены в богатом ассортименте и доступны в любом магазине с электротоварами.
Источник: rusenergetics.ruПри работе с любыми электроприборами необходимо соблюдать правила безопасности. Так как инструкция к индикаторной отвертке обычно отсутствует, следует руководствоваться полезными советами специалистов:
- Применять индикатор согласно его целевому назначению, то есть для электромонтажных работ.
- Перед тем как приступить к изысканиям, следует убедиться в целостности и надежности изоляционного материала, которым оснащены рукоять и жало инструмента.
- Убедиться в достоверности результатов измерений можно, если заранее испытать отвертку на электрических установках под напряжением.
Если пользователь сомневается в корректной работе индикаторной отвертки, не следует доверять показаниям прибора. В этом случае целесообразно использовать профессиональный инструмент.
Мультиметр
Бытовые мультиметры представляют собой простые в эксплуатации приборы. С их помощью можно определить, находится ли сеть под напряжением, и каково его значение. Это наиболее безопасный способ определить фазу и ноль. Щупы инструмента оснащены диэлектрической рукояткой. Принцип работы устройства заключается в подключении одного щупа к земле розетке, а второго – к одному из двух контактов розетки.
Источник: rusenergetics.ruФаза в электричестве, определение понятия, характеристика
Понятие фазного провода связано с определением напряжения. Данная величина обозначает, насколько напряжено электрическое поле в рамках данной точки или цепи. По-другому, это потенциал. Под действием такой силы электроны движутся по проводникам. Один из проводов, которые подключаются к потребителям, называется фазой. Именно этот проводник находится под напряжением. Фазу в понимании электротехники можно сравнить с плюсом в автотранспорте, то есть фазный провод представляет собой основное питание для электрической цепи.
Источник: rusenergetics.ruЧто такое ноль в электричестве, определение
Нулевой провод отличается от фазы тем, что не находится под напряжением. Ноль не перегружается, когда происходит отбор мощности, но по проводнику также транспортируется электричество. Направление этого движения будет обратным фазному. Если в сети отсутствует напряжение, то ноль безопасен для человека и не способен поразить его электрическим током.
Зачем нужен ноль в электричестве
Нулевой провод необходим для замыкания электросети. С помощью ноля обеспечивается необходимая мощность для включения электрических приборов. При его отсутствии электричества будет отключено. По своей сути нулевой проводник представляет собой землю.
Основным назначением ноля является обеспечение электроснабжения объектов разного назначения. Нулевой провод замыкает электрическую цепь, таким образом, создается электрический ток, и работают электроприборы. Электричество появляется из-за разности потенциалов, которая возникает между двумя проводами. Ноль характеризуется нулевым потенциалом. Поэтому напряжение в цепи определяется, как 220 – 230 Вольт.
Что представляет собой петля «ноль/земля»
Нулевой провод выходит из трансформатора, который соединяется с помощью нулевой шины с заземлением, выполненным в виде контура. Вначале цепи именно земля представляет собой нулевой потенциал, что служит причиной путаницы при определении земли и ноля. Конструкция воздушной линии электропередачи, выходящей из комплектной трансформаторной подстанции, включает три фазных проводника и один ноль. Нулевой провод на выходе подсоединяется к нулевому контакту трансформатора. Повторное заземление выполняется на каждой второй опоре, по которым проложена воздушная линия электропередачи. С его помощью производится дополнительное соединение ноля с землей. Такое решение является гарантией полноценной связи цепи «фаза – ноль», что обеспечивает потребителя электричеством с напряжением не менее 220 Вольт.
Источник: rusenergetics.ruЭлементарные знания электротехники необходимы не только для профессиональной деятельности, но и полезны для обывателя. Электричество питает разнообразные потребительские товары. Обеспечить бесперебойное электроснабжение можно, если правильно определять фазу и ноль при подключении инженерных коммуникаций. Подобная информация будет полезна также студентам политехнических вузов.
Если в процессе обучения возникают проблемы, всегда можно обратиться к специалистам сервиса Феникс.Хелп.
Уменьшение эффекта плавающей земли при проектировании DC-DC преобразователей напряжения
Каждый инженер при разработке электронного прибора хотя бы один раз сталкивался с плохой работой потенциально правильно спроектированного устройства. Связано это с тем, что моделирование устройства в виде принципиальной электрической схемы отличается от его реального воплощения на печатной плате. Особое внимание в данном случае требуется уделять разводке шин питания и общего провода (земли).
Эта задача наиболее актуальна при разработке понижающих и повышающих DC/DC-преобразователей, через общий провод которых постоянно протекают большие быстроизменяющиеся токи, что приводит к электромагнитным помехам (ЭМП) и сбоям во время работы системы. Из-за сложности теоретического анализа таких процессов для минимизации паразитных воздействий часто приходится полагаться на знание физики шума и собственную интуицию.
«Плавающая» земля может порождать переходные процессы с амплитудой до нескольких вольт. Чаще всего причиной этого является изменение магнитного потока. Замкнутая электрическая цепь с протекающим по ней током, по сути, является электромагнитом с напряженностью поля, пропорциональной этому току. Магнитный поток пропорционален магнитному полю, проходящему через площадь, ограниченную длиной электрической петли
или, более точно,
где ФВ — магнитный поток; В — магнитная индукция; А — площадь замкнутой электрической цепи, а φ — угол между вектором В и нормалью к поверхности, ограниченной длиной электрической цепи.
Рис. 1 иллюстрирует связь между магнитным потоком и протекающим электрическим током. Источник постоянного напряжения, нагруженный на резистор, обеспечивает протекание электрического тока, сила которого определяется по закону Ома. Этот ток образует вокруг себя магнитное поле с вектором магнитной индукции, направление которого определяется по правилу правой руки. Замкнутая электрическая цепь образует поток вектора магнитной индукции сквозь площадь, которую она ограничивает.
Измените либо силу магнитного поля, либо длину электрической цепи, и магнитный поток изменится. Переменный магнитный поток приводит к возникновению разности потенциалов на проводах, соединяющих электронные компоненты. Величина этого напряжения будет пропорциональна скорости изменения магнитного потока d
/dt . Заметьте, что изменение магнитного потока может вызвать как изменение протекающего тока при фиксированной длине цепи, так и изменение длины цепи при постоянном токе.
Предположим, например, что выключатель на рис. 2 внезапно разомкнули. Это приведет к прекращению протекания электрического тока и исчезновению магнитного потока, что, в свою очередь, вызовет кратковременное возникновение большого напряжения на концах проводов. Наибольшую актуальность данная проблема представляет для протяженных проводов цепи, т. е. для общего провода. В результате на тех частях провода, который соединяет «земляные» выводы компонентов, появится напряжение, и потенциал общего провода на нагрузке будет отличаться от потенциала общего провода на входе цепи, и наоборот. Данная ситуация будет вызывать ложные сигналы и сбои в работе схемы.
К другим источникам возникновения эффекта «плавающей» земли относят падение напряжения на сопротивлении дорожек печатной платы и переходные процессы в паразитных емкостях.
Вообще, падение напряжения на сопротивлении печатной платы — не основной источник эффекта «плавающей» земли. Медь толщиной 35 микрон обладает удельным сопротивлением 500 мкОм/квадрат, таким образом, изменение тока на 1 А приводит к падению напряжения 500 мкВ/квадрат, что оказывает существенное влияние только на узкие, длинные и разветвленные линии общего провода и на прецизионные электронные схемы.
Процесс заряда и разряда паразитных емкостей приводит к возникновению больших переходных токов в общем проводе. Изменение магнитного потока, вызванного этими токами, приводит к возникновению эффекта «плавающей» земли.
Наилучшим способом снижения эффекта «плавающей» земли в импульсных DC/DC-преобразователях является контроль изменений магнитного потока путем минимизации площади токовой петли и изменений в этой площади.
В некоторых случаях, как на рис. 3, ток остается постоянным, но переключение ключа приводит к изменению площади электрической цепи, следовательно, изменяется магнитный поток. В положении 1 переключателя идеальный источник напряжения соединен идеальными проводами с идеальным источником тока. Ток, протекающий в цепи, проходит через общий провод.
В положении 2 переключателя тот же самый ток протекает по другой цепи. Ток источника не изменяется, но площадь электрической петли изменилась. Изменение площади петли приводит к изменению магнитного потока и наведению напряжения. Так как общий провод является частью этого изменения петли, напряжение на нем будет плавать.
Эффект «плавающей» земли в понижающих DC/DC-преобразователях
Для облегчения понимания электрическую схему на рис. 3 можно превратить в схему понижающего DC/DC-преобразователя (см. рис. 4).
На высоких частотах СVIN можно приблизительно представить как источник постоянного напряжения, а LBUCK — как источник постоянного тока. Эти допущения сделаны для удобства понимания процессов, происходящих в преобразователях.
На рис. 5 показано, как магнитный поток изменяется при переключении ключа.
Большая индуктивность LBUCK поддерживает выходной ток примерно постоянным. Аналогично, СVIN поддерживает напряжение примерно равным VIN, так что входной ток тоже является более-менее постоянным благодаря неизменяющемуся напряжению на индуктивности входных проводников.
Хотя входной и выходной токи примерно постоянны, при переключении ключа из положения 1 в положение 2 происходит изменение площади активной электрической цепи на величину среднего участка. Это вызывает изменение магнитного потока, который, в свою очередь, генерирует разность потенциалов на среднем участке общего провода.
На практике в понижающих преобразователях переключатель заменяется парой полупроводниковых компонентов, как показано на рис. 6. Из иллюстрации видно, что как бы мы ни усложняли схему, интуитивный подход нас не подводит.
Фактически изменение магнитного потока вызовет появление разности потенциалов на всех участках общего провода. Тогда возникает интересный вопрос: «Где истинный потенциал земли?» Поскольку эффект «плавающей» земли означает увеличение напряжения на общем проводе схемы относительно некоторой идеальной точки, называемой «истинной» землей, эту точку необходимо идентифицировать.
В нашем случае целесообразно в качестве «истинной» земли выбрать точку подсоединения нагрузки к общему проводу схемы. В конце концов главная задача любого DC/DC-преобразователя обеспечивать стабильное напряжение и ток в нагрузке. Потенциал всех других точек общего провода будем отсчитывать относительно «истинной» земли.
Таким образом, определив точку расположения «истинной» земли в нашей электрической цепи, мы можем приступать к уменьшению рассматриваемого эффекта. Как показано на рис. 7, для этого необходимо минимизировать площадь цепи, ограниченную конденсатором СVIN и переключателем, то есть длину электрической связи конденсатора и переключателя на печатной плате, в том числе максимально близко располагать эти элементы друг к другу.
Общий вывод конденсатора соединяется непосредственно с общим выводом ключа и с точкой «истинной» земли. Это приводит к отсутствию провода, на который может наводиться напряжение при переключении ключа. Поэтому эффект «плавающей» земли отсутствует.
Рис. 8 иллюстрирует практическую реализацию понижающего преобразователя (рис. 6) на печатной плате. В положении переключателя 1, т. е. при открытом транзисторе, путь протекания постоянного тока показан красной линией. В положении переключателя 2, то есть закрытом транзисторе и открытом диоде, путь протекания тока показан синей линией. Заметьте, что при этом изменяется площадь цепи и, следовательно, магнитный поток. Так появляется эффект «плавающей» земли.
Реализация нашего проекта в виде односторонней печатной платы показана для большей ясности понимания рассматриваемых процессов. Для подавления паразитного напряжения на общем проводе целесообразнее использовать двустороннюю печатную плату (см. рис. 9).
Двусторонняя плата сконструирована так, что входной конденсатор расположен на верхнем слое под прямым углом к дорожке питания. Общий провод выполнен в виде сплошного участка фольги на нижнем слое платы (левая часть рис. 9). Электрический ток проходит по верхнему слою платы через конденсатор и переходное отверстие на общий провод нижней стороны платы.
Поскольку переменный ток всегда проходит по участку наименьшего сопротивления, т. е. преодолевает минимальный путь, то он, протекая по общей шине, будет скруглять угол, возвращаясь к источнику. В результате магнитное поле тока и связанная с ним площадь цепи при изменении амплитуды или частоты тока вызовет появление магнитного потока, следовательно, и напряжения «плавающей» земли.
В правой части рисунка представлен откорректированный слой общего провода, который ликвидирует площадь, ограничиваемую протекающим током. Для этого часть фольги «земляного» слоя вырезана, так что пути, проходимые током по верхней и нижней стороне платы, совпадают, и любое паразитное напряжение, созданное в выделенном общем проводе, изолировано от общей шины «земли».
В печатной плате на рис. 10 используется принцип, показанный на рис. 9, для уменьшения паразитных напряжений. Входной конденсатор и переключатель располагаются на островке, вырезанном в общем «земляном» слое.
Данная конфигурация слоя «земли» не оптимальна, но хорошо работает и показывает основной принцип проектирования подобных устройств. Длина пути электрического тока в обоих положениях переключателя (синяя и красная линии) примерно одинакова. Минимальная разница означает минимальное изменение магнитного потока, а значит, и минимальное напряжение, наводимое эффектом «плавающей» земли. (Обычно, однако, рекомендуется поддерживать площадь петли как можно меньше, указанный рисунок только иллюстрирует важность подбора путей протекания переменного тока.)
Кроме того, на островке возврата к «земле», где магнитные поля и площадь петли изменяются, любой скачок потенциала ограничен вырезом.
Интересно, что, на первый взгляд, входной конденсатор СVIN не расположен между входом верхнего ключа и нижним полюсом нижнего ключа так, как показано на рис. 7, но при более пристальном рассмотрении можно убедиться, что это именно так. Хотя физическое соседство и хорошо, но электрическая близость, которая достигается уменьшением площади петли, важнее.
Эффект «плавающей» земли в повышающих DC/DC-преобразователях
Повышающий преобразователь, по сути, является зеркальным отражением понижающего преобразователя. Для превращения перехода понижающего преобразователя в повышающий необходимо изменить подключение в схему конденсатора, дросселя и переключателя (см. рис. 11).
Согласно изложенному выше принципу (по аналогии с понижающим DC/DC-преобразователем), следует минимизировать площадь электрической цепи, ограниченную конденсатором СVOUT и переключателем, для снижения эффекта «плавающей» земли.
Справка
Эффект «плавающей» земли в основном вызывается изменением магнитного потока. В DC/DC-преобразователях сам принцип преобразования: постоянный ток — переменный ток — постоянный ток предполагает высокоскоростное переключение входных и выходных цепей между собой, что приводит к изменению площади активной электрической цепи и наводке паразитного напряжения «плавающей» земли на выход.
Но правильное размещение входного/выходного конденсатора и правильное проектирование «земляного» слоя позволяет изолировать выход от этой наводки.
Кроме того, правильное расположение слоев печатной платы гарантирует, что точка «истинной» земли будет находиться в месте соединения вывода нагрузки с общим проводом без учета изменяющихся площадей цепи и токов.
Полезные советы
В этом разделе будут рассмотрены некоторые моменты, учет которых при проектировании электронных устройств позволит избежать проблем, связанных с эффектом «плавающей» земли. На рис. 12 показано, что магнитные поля проводников с током, пересекающихся между собой под прямым углом, не взаимодействуют.
Линии магнитного поля вокруг параллельных проводников с одинаковыми токами, протекающими в одном направлении, взаимно компенсируются между проводниками и складываются за ними. Следовательно, чем шире дорожки на печатной плате, тем меньшей индуктивностью они обладают (рис. 13).
Линии магнитного поля вокруг параллельных проводников с одинаковыми токами, протекающими в противоположных направлениях, взаимно компенсируются вне проводников и складываются между ними. Следовательно, уменьшение площади электрической цепи приведет к уменьшению магнитного потока и индуктивности. Этот факт объясняет, почему путь протекания обратного переменного электрического тока по нижней стороне платы всегда проходит под путем протекания тока по верхней стороне платы (рис. 14).
Рис. 15 показывает, почему углы увеличивают индуктивность. Прямой проводник чувствует только собственное магнитное поле, но в углу он начинает чувствовать еще и поле от своего изогнутого участка. Таким образом, магнитное поле в месте перегиба проводника увеличивается, и возрастает его индуктивность.
На рис. 16 показано, что отсутствие под дорожкой части «земляного» слоя приводит к увеличению магнитного потока и появлению эффекта «плавающей» земли.
Влияние ориентации компонента на эффект «плавающей» земли приведен на рис. 17.
Резюме
Эффект «плавающей» земли представляет проблему практически для всех видов электронных приборов. Например, на мониторе или телевизоре он может вызвать зашумленное изображение, в аудиоустройствах — фоновый шум. В цифровых системах могут наблюдаться даже ошибки в вычислениях, что может привести к катастрофическим последствиям.
Интуитивный подход и детальное моделирование паразитных элементов при проектировании печатной платы позволят свести к нулю влияние «плавающей» земли на параметры цепи.
При разработке печатной платы сначала выбирайте точку «истинной» земли в том месте, к которому будете подключать нагрузку. Затем упростите динамику электрической цепи, замените конденсаторы и дроссели источниками напряжения и тока. Ищите площади, ограниченные протекающим током, и минимизируйте их в каждом состоянии схемы. Обеспечьте одинаковую длину пути, преодолеваемую током в каждом состоянии схемы.
В большинстве случаев данные меры приведут к приемлемому результату. Если этого недостаточно, оптимизируйте сопротивление «земляного» слоя и пути перезаряда паразитных конденсаторов через все ключи и вниз к пути протекания возвратного тока.
Независимо от сложности схемы базовые принципы возникновения рассматриваемого эффекта не изменяются — изменения магнитного потока должны быть минимизированы или изолированы.
Литература- Analog Dialogue. Vol. 23. N 3. P. 7–9; Vol. 11. N 2. P. 10–15; Vol. 25. N 2. P. 24–25; Vol. 26. N 2. P. 27; Vol. 30. N 2. P. 11; Vol. 39. N 3. P. 3–8. Номера доступны на web-сайте компании Analog Device.
- Barrow J. Reducing Ground Bounce in DC/DCConverter Applications. — EDN, 7/6/2006.
Волонтера года в рамках программы «Школа утилизации: электроника» определили в Подмосковье
Экологический проект-инкогнито #давайтеуберем стал победителем экологической программы «Школа утилизации: электроника» в номинации «Эковолонтер года», сообщает пресс-служба Министерства экологии и природопользования Московской области.
«Этот проект, по мнению жюри, выделяется на фоне других ярких, креативных волонтерских идей. Его автор ликвидирует несанкционированные свалки в лесах, на берегах водоемов, снимая об этом необычные видеоролики. Иногда ему помогают друзья – актеры театра и кино, музыканты. Он остается инкогнито, продвигая простую идею: «Давайте уберем – и станет чище»», — говорится в сообщении.
За развитием проекта в Инстаграме следят несколько тысяч человек. В конце ноября проект #давайтеуберем ликвидировал свалку техники рядом с деревней Щемилово Богородского городского округа. На переработку в Фонд рационального природопользования уехало пять кубометров электрохлама, выброшенные в лесу «черными утилизаторами».
Чтобы не раскрывать личность экоактивиста, за него приз получил друг проекта, актер театра и кино Андрей Финягин.
«Если каждый из нас вынесет из леса или парка хотя бы один пакет мусора, то жизнь наша и наших детей станет лучше. Такими маленькими делами мы все вместе сделаем большое дело – очистим природу и научим правильно себя вести наших соседей, друзей, детей. Поэтому я присоединился к проекту #давайтеуберем, инициатором и автором которого является мой друг. И предлагаю присоединиться всем вам», – призвал Финягин.
Первое место в номинации «Популяризация раздельного сбора электронных отходов» стал Люберецкий городской округ. День сбора техники на утилизацию Люберцы превратили в праздник, в котором приняли участие глава округа Владимир Ружицкий, молодежный парламент, депутаты, юнармейцы, школьники. Школьники организовали флешмобы, приняли участие в мастер-классе по вторичному использованию отходов. В итоге Люберцы передали на переработку 19,5 тонн отслужившей электроники.
«Любой город или учреждение может организовать мобильный пункт приема техники на утилизацию – в дату акции или заранее, на выходных. Это очень удобно для жителей. Вся техника будет вывезена на переработку совершенно бесплатно, единственное, что требуется – это проявить инициативу и связаться с куратором программы», – сказала исполнительный директор Фонда рационального природопользования Александра Кудзагова.
Она добавила, что также можно организовать постоянно действующие пункты приема отслужившего оборудования на переработку, как поступили Мытищи, Красногорск, Наро-Фоминский округ и Клин.
В Домодедове такими инициаторами стала редакция газеты «Призыв». Их акции по сбору утильной электроники в апреле и ноябре уже стали традиционными. Сотрудники «Призыва» помогают пожилым людям вывезти неподъемные старые телевизоры. Третьим победителем в номинации «Популяризация раздельного сбора электронных отходов» стала Татьяна Курашова, создатель движения «Зеленый Загорск». Она организовала два экофестиваля в Сергиевом Посаде и каждый – со сбором отработавшей электроники.
Как сельским жителям Подмосковья получить скидку за вывоз мусора>>
Солнце — космический убийца Земли
Солнце — источник жизни на Земле, но именно оно может убить человечество. Супервспышки способны вывести из строя спутники и наземную электронику, погрузив планету в хаос глобального блэкаута. Также наша звезда может серьезно повлиять на климат — например, спровоцировать новый ледниковый период. Про вред ультрафиолета знают все, чего не скажешь про угрозы космической погоды.
Вспышки, замеченные человеком1 сентября 1859 года английский астроном Ричард Кэррингтон заметил, что от Солнца отделились два ослепительных шара, которые быстро росли. Мощная вспышка привела к выбросу огромного облака плазмы. Она врезалась в магнитосферу Земли и спровоцировала мощнейшую магнитную бурю в истории! Ночь над Америкой и Европой стала днем. Было светло от всполоха северного сияния. Казалось, что города охвачены пламенем. Пропадало электричество, вышел из строя телеграф. Из аппаратов сыпались искры, поджигая бумагу. Многие тогда подумали, что наступил конец света.
Событие Кэррингтона стало ярким примером того, какую опасность Солнце может представлять для человеческой цивилизации. Сегодня, когда электричество проникло во все сферы жизни, последствия подобной солнечной бури могли бы быть куда более масштабными!
Например, 13 марта 1989 года на Солнце произошла далеко не самая мощная вспышка. Тем не менее вся провинция Квебек на девять часов погрузилась во тьму. В системе электроснабжения возникли индукционные токи, которые пережгли трансформаторы. Миллионы людей остались без света.
А если представить, что магнитная буря будет в несколько раз сильнее? Тогда человечеству грозит глобальный блэкаут. В условиях, когда электроника контролирует буквально все: промышленность, финансы, медицину, безопасность, оборонные технологии — такое событие приведет к самым непредсказуемым последствиям, от масштабного экономического кризиса до начала ядерной войны. Конечно, с тех пор было вложено много миллиардов долларов в защиту сетей от перегрузок. Но случись на Солнце супервспышка, человечество откатится на десятки лет назад в своем развитии. В один момент мы можем остаться без связи, телевидения и многих других важных технологий.
Солнце как термоядерный реакторКаждый день мы смотрим на солнце, но едва ли понимаем, с чем имеем дело! На самом деле наше светило — это огромный термоядерный реактор, и его масса в 333 000 раз больше массы Земли. Температура на поверхности этого гигантского плазменного шара — около 5772 К, а температура ядра достигает 13 млн °С! Солнечная плазма постоянно курсирует от горячего ядра к более холодной поверхности светила. Этот эффект называется конвекцией. При этом плазма обладает хорошей электропроводностью, близкой к электропроводности металлов, поэтому, благодаря ее движению, создается магнитное поле. Это магнитное поле неоднородно и изменчиво.
«У Солнца, как у периодической звезды, есть циклы активности: примерно раз в 11 лет у нас наблюдается так называемый максимум солнечной активности, когда интенсивность магнитного поля Солнца повышена, на нем много пятен, а пятна — это области с несколько бóльшим магнитным полем», — объясняет Анатолий Петрукович, директор Института космических исследований РАН.
Как возникают солнечные вспышки?Сильные магнитные поля затормаживают движения плазмы от ядра к поверхности: она остывает быстрее, в результате солнечные пятна примерно на 1200 °С холоднее, чем окружающие их участки. Поэтому они и кажутся нам темными, хотя все равно излучают яркий свет. Именно солнечные пятна являются областями наибольшей активности на Солнце. Если пятен появляется много, магнитные линии, проходящие внутри одной группы пятен, могут соединиться с магнитными линиями из другой группы пятен, имеющими противоположную полярность. Видимым результатом этого процесса является солнечная вспышка — выброс огромного количества плазмы в космическое пространство.
«Вспышка — это взрыв на Солнце. Причем взрыв колоссальной мощности, когда выделяется энергия, равная употреблению энергии человечеством за 10 млн лет! Такая энергия выделяется за 10 секунд. И вот даже на том огромном расстоянии, на котором Земля удалена от Солнца (150 млн км), последствия такого мощного взрыва, к сожалению, ощущаются», — говорит Сергей Богачев, главный научный сотрудник лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца» Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.
Одно из последствий вспышек на Солнце — солнечная радиация. В околоземное пространство прилетают заряженные частицы: протоны и ионы гелия. Они представляют серьезную угрозу для космонавтов. Например, в 1972 году, когда американские астронавты высаживались на Луну, произошла мощная вспышка на Солнце. Если бы экипаж «Аполлона» не разминулся с потоком заряженных частиц, астронавты могли бы погибнуть от лучевой болезни. К счастью, с тех пор технологии шагнули далеко вперед и в наши дни экипаж МКС гораздо лучше защищен от солнечной радиации.
А вот обезопасить космическую технику от солнечной радиации до сих пор не удается в полной мере. Потоки заряженных частиц периодически выводят из строя космические аппараты и в первую очередь электронику спутников и бортовые аппараты. Ионизуя атмосферу Земли, заряженные частицы сказываются даже на качестве радиосвязи.
Сергей Богачев отмечает: «Современная микросхема при попадании в нее тяжелого иона выходит из строя гарантированно. Если такие ионы проходят потоками через спутник, вероятность уцелеть для него крайне слаба. Защита здесь в принципе невозможна. Выход из строя спутников — это событие очень серьезного плана. Заменить вышедший из строя спутник ни за день, ни за год невозможно. А если такие жизненно важные спутники выйдут из строя десятками или сотнями, на их замену потребуются десятилетия».
Геомагнитные буриГеомагнитные бури грозят человечеству серьезными неприятностями. Так называемые солнечные штормы случаются, когда Земля оказывается на пути облака плазмы. К моменту подхода к нашей планете оно имеет огромное размеры: до миллиона километров в диаметре. Но самое главное, что эта плазма обладает собственным магнитным полем, и это магнитное поле начинает взаимодействовать с магнитным полем Земли, вызывая его колебания.
«Эти колебания, которые рождаются в космосе на большой высоте в результате колоссального события, столкновения, как по струнам добегают вниз, до поверхности Земли. По сути, любой прибор, положенный на стол, начинает чувствовать эти колебания», — рассказывает Сергей Богачев.
Такие колебания магнитных полей способны индуцировать электрические токи в замкнутых изолированных контурах большой протяженности. В первую очередь в линиях электропередач, которые как паутина опутывают всю нашу планету. Во время магнитной бури в них происходят те же процессы, что и в знаменитой рамке Фарадея из школьного опыта: если рядом с ней находится катушка, магнитное поле которой изменяется, — возникают индукционные токи.
«Колебания способны наводить токи в электрических системах, в разного рода проводах и в том числе в организме человека, где тоже есть проводящие системы: кровеносная, нервная. Собственно говоря, воздействие переменного поля на проводящие системы и составляет собой физическую основу воздействия магнитных бурь на человека, которое широко обсуждается», — уточняет Сергей Богачев.
Влияние на человекаЗа год мы переживаем порядка 50–60 магнитных бурь, но оказывают ли они непосредственное влияние на организм? Этот вопрос остается дискуссионным среди ученых. Но факты говорят сами за себя: во время геомагнитных бурь многие люди чувствуют себя плохо, жалуются на перепады давления, головные боли, сонливость и усталость. Во время магнитной бури происходят изменения в окружающей среде: в частности, меняется атмосферное давление. Здоровый человек это вряд ли почувствует. А вот на людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями солнечная погода может оказывать негативное влияние.
«Это доказано статистически: во время больших магнитных бурь в два раза увеличивается количество инфарктов и инсультов. Проверено в разных местах Земли! В организме человека циркулирует около 5 л крови. И когда мы сдаем анализы, в крови оценивается такая реакция, как скорость оседания эритроцитов. Была замечена четкая закономерность: этот показатель меняется в зависимости от магнитной активности», — говорит Сергей Гайдаш, руководитель Центра прогнозов космической погоды Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН).
В ИЗМИРАН был разработан перечень рекомендаций для лиц с инфарктом миокарда и артериальной гипертензией по приему различных медицинских препаратов в зависимости от геомагнитной активности, а также создан автоответчик, который круглосуточно сообщает о состоянии геомагнитного поля и дает прогноз (можно звонить по телефону 8 (495) 851–19–34). Потенциальные инсультники могут получить информацию о рисках космической погоды и с помощью врача или самостоятельно принять меры: скорректировать дозу медикаментов, обеспечить себе покой и т. д.
Недавно японские ученые выяснили, что магнитные бури повышают риск суицида среди мужчин. Такие выводы они сделали на основе анализа статистики самоубийств с начала 1999 по конец 2008 года. Была обнаружена четкая корреляция между магнитными возмущениями и суицидом среди японцев мужского пола.
Изменение климата: заморозка или потепление?Изменения активности Солнца влияют на климат Земли. Существуют научные теории, которые прослеживают связь между супервспышками и массовыми вымираниями видов.
«Самое известное вымирание — динозавров. Но до этого были еще вымирания ранее аналогичные, которым ищут причину: то ли в резкой смене климата, то в падении метеорита. Одной из возможных причин может быть супервспышка на Солнце, энергия и масштабы которой позволили солнечному излучению проникнуть до поверхности Земли и существенно повредить, уничтожить биосферу», — рассказывает Сергей Богачев.
Ученые отмечают, что ледниковые периоды совпадали с понижением солнечной активности. Есть мнение, что в будущем светило может попросту нас заморозить —его активность снизится, и наступит новый ледниковый период.
«Ледниковые периоды совпадали с понижениями солнечной активности. В частности, был последний такой период: Маундеровский минимум. Галилей открыл солнечные пятна больше чем 300 лет назад. Их несколько десятилетий наблюдали, а потом вдруг пятна исчезли», — поясняет Владимир Кузнецов, директор ИЗМИРАН.
С 1645 по 1715 год астрономы не наблюдали солнечных пятен. Одновременно в Европе были аномально суровые зимы. В Голландии покрывались льдом каналы. Заморозки весной и даже летом привозили к гибели урожая и фруктовых садов. В ряде европейских стран начался продовольственный кризис
Ученые считают, что подобное похолодание должно повториться в будущем. Правда, назвать точный год или хотя бы век, когда стартует новый малый ледниковый период, они пока не могут.
По одной из самых пессимистичных гипотез, Солнце в конечном итоге уничтожит жизнь на Земле, подогрев ее. Незаметно для нас огромный космический термоядерный реактор разогревается — этот процесс растянут на миллиарды лет.
«Разогрев Солнца постепенно будет приводить к тому, что за каждые примерно 100 млн лет температура на Земле будет повышаться примерно на 1 градус. То есть через миллиард лет уже условия будут некомфортные для жизни. Это и повышение средней температуры на 10 градусов, и испарение воды — испаряясь, она еще больше нагреет Землю», — отмечает Леонид Ледедцов, научный сотрудник отдела физики Солнца Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.
Некоторые ученые предсказывают нашей планете судьбу Венеры — не случайно ее называют сестрой Земли. Согласно гипотезам, на ней тоже были океаны. Но так как ее орбита лежит ближе к Солнцу, Венеру быстро захлестнул парниковый эффект: на месте океанов он оставил пустыню, покрытую облаками серной кислоты, и атмосферу, состоящую почти полностью из углекислого газа. В похожей ситуации в будущем, вероятно, окажется и Земля.
Перспектива апокалипсиса, хоть и отдаленного во времени, заставляет ученых разрабатывать план B и искать «запасную планету» — недаром США вкладывают огромные средства в марсианскую программу и всерьез говорят о колонизации космоса. Сейчас этот план спасения человечества кажется абсолютной фантастикой, но законам физики он не противоречит. Наука уже не раз доказывала, что нет ничего невозможного, а значит, есть и шанс не дать Солнцу уничтожить нашу цивилизацию.
Подробнее смотрите в передаче «Угрозы современного мира» на канале «Наука».
Почему редкоземельные элементы так важны для производства электроники?
Редкоземельные элементы (РЗЭ) — это небольшое, но невероятно мощное семейство металлов, которые играют важную роль в производстве множества современных электронных устройств.
Уникальные магнитные, электрохимические и люминесцентные свойства РЗЭ используются во всех видах электроники — от смартфонов, жестких дисков и электромобилей до систем военной обороны, экологически чистой энергии и медицинского оборудования.
В настоящее время большая часть производства РЗЭ сосредоточена всего в двух странах — Китае и Австралии, причем Китай является крупнейшим производителем, на который приходится 85% от общего мирового производства, а Австралия — около 10%.
Однако по мере того, как использование этих новых технологий становится все более распространенным, спрос на редкоземельные металлы будет только расти.
Исследование 2017 года, проведенное Пекинским университетом науки и технологий, показало, что глобальный спрос на РЗЭ может достичь ошеломляющего уровня 51.9 тысяч тонн к 2030 году.
В том же исследовании также было предсказано, что ресурсов может быть достаточно только для поддержания глобального производства РЗЭ нынешними темпами еще на сто лет.
Что такое редкоземельные элементы?
Всего существует семнадцать РЗЭ, пятнадцать из которых составляют часть так называемого ряда лантанидов, составляющих порядковые номера с 57 по 71 в периодической таблице.
Вот лишь несколько примеров РЗЭ и способы их использования:
- Церий — самый распространенный из редкоземельных элементов, используемый в магнитах, электродах и угольно-дуговом освещении, в качестве катализатора в каталитических нейтрализаторах и для точной полировки стекла
- Неодим — мягкий серебристый металл, используемый для создания сильных постоянных магнитов для компьютерных дисков, микрофонов и наушников, а также для производства мощных инфракрасных лазеров.
- Диспрозий — один из самых сильномагнитных элементов, используемых в производстве электроники, компьютерных дисков, лазеров, коммерческого освещения и энергоэффективных транспортных средств
- Тербий — мягкий серебристый металл, используемый в качестве добавки в редкоземельных магнитах, в некоторых электронных устройствах и в сонарных системах
- Гольмий — еще один редкоземельный элемент с мощными магнитными свойствами, используемый в микроволновом оборудовании и стержнях ядерного управления
- Лантан — высокореактивный редкоземельный элемент, используемый в производстве линз телескопов и стекла, поглощающего инфракрасное излучение
- Скандий — используется в производстве популярных потребительских товаров, таких как телевизоры и энергосберегающие лампы
- Иттрий — серебристый металл, используемый в сверхпроводниках, лазерах и хирургических принадлежностях.
Что делает редкоземельный элемент «редким»?
Термин «редкий» на самом деле неправильный, потому что РЗЭ действительно существуют в изобилии.
Даже самый редкий из РЗЭ (тулий) все еще в 125 раз более распространен в земной коре, чем золото, а самый плодовитый РЗЭ (церий) в 15 000 раз более распространен.
Ключевое отличие заключается в том, что РЗЭ не находятся в твердых глыбах или пластах, а неравномерно распределены по земной коре, что делает их добычу намного сложнее, чем другие металлы.
С химической точки зрения также сложнее отделить один РЗЭ от другого, чтобы получить чистое вещество.
Короче говоря, производство РЗЭ дорогое.
Например, редкоземельный металл европий, который используется в производстве компьютерных мониторов и плазменных телевизоров, в настоящее время продается по цене около 580 000 фунтов стерлингов за метрическую тонну, и эта цена постоянно растет.
Восстановление и повторное использование РЗЭ
Спрос на РЗЭ растет, но они также являются ограниченным ресурсом, и в настоящее время нет жизнеспособных альтернативных методов их замены.
Одним из возможных решений является регенерация и повторное использование редкоземельных металлов, присутствующих в продуктах, срок службы которых подошел к концу.
Удивительно, но Альянс за технологии редкоземельных элементов подсчитал, что в настоящее время перерабатывается менее одного процента редкоземельных металлов в мире, при этом большинство РЗЭ попадает на свалки.
Но новая схема исследования надеется изменить это.
Программа исследований и инноваций ЕС Horizon 2020 предоставила финансирование в размере 12 фунтов стерлингов.98 миллионов переданы отраслевому консорциуму по устойчивому извлечению, переработке и повторному использованию редкоземельных магнитов (SUSMAGPRO).
В свою очередь, SUSMAGPRO выделила 4,35 миллиона фунтов стерлингов своего финансирования исследовательской группе в Бирмингемском университете.
Их план? Найти способ успешно извлекать и повторно использовать редкоземельные металлы из редкоземельных магнитов.
Редкоземельные магниты — это мощные постоянные магниты, которые используются практически во всех приложениях, в которых для создания движения используется электричество, — от электромобилей и жестких дисков до множества обычных бытовых приборов.
Исследователи из Бирмингемского университета говорят, что они уверены в разработке новой технологии, которая позволит производить около двадцати тонн переработанных редкоземельных магнитов ежегодно.
И, если все идет хорошо, ожидается, что новая схема резко сократит количество РЗЭ, которые в настоящее время отправляются на свалки, предложит более устойчивое решение растущих проблем добычи РЗЭ и обеспечит более высокий уровень защиты поставок РЗЭ в Европу. цепь.
Какие существуют «основы» в электронном дизайне?
Термин «земля» — одно из наиболее часто используемых слов в электронике, а также один из наиболее часто используемых и неправильно понимаемых терминов.К счастью, во многих случаях неправильного использования инженеры, использующие его, знают, на что на самом деле ссылаются, и могут переводить его внутри, чтобы избежать негативных последствий.
Однако есть много ситуаций, когда неправильное или слишком случайное использование термина приводит к недопониманию. Кроме того, такое неаккуратное использование терминологии также может привести к небрежности в дизайне, поскольку существует множество типов «оснований», а некоторые на самом деле не являются основанием.
- Что такое «Земля»?
Земля — это исторически первая земля, которую использовали люди, связанные с электричеством (до того, как электроника узнала о ее существовании).Это соединение цепи, системы, стойки, шасси или бытовой электропроводки переменного тока с землей через соединение с низким сопротивлением. Это часто, хотя и не исключительно, осуществляется через заземление трехпроводной вилки / розетки переменного тока, которая, в свою очередь, подключается к заземляющей конструкции стержней, вбитых в землю. Конкретная конфигурация стержней зависит от местного удельного сопротивления почвы и условий влажности, а также местных электрических норм. Правильный символ заземления показан на рис. , рис. 1 .
Рис.1: Символ заземления- Зачем использовать Землю в целях безопасности?
Опасные условия, которые могут повлиять на жизнь, возникают, когда избыточный ток проходит через человека, и ток «управляется» достаточно высоким напряжением, например, линией переменного тока. Следовательно, один из способов предотвратить это прохождение тока — обеспечить альтернативный путь с гораздо меньшим сопротивлением; имейте в виду, что ток будет саморегулироваться, чтобы течь по пути с меньшим сопротивлением, который параллелен пути с более высоким сопротивлением.
Так как у человека сопротивление составляет от сотен до тысяч Ом, а сопротивление тракта Земля-земля порядка Ом или меньше. Если происходит короткое замыкание проводки и корпус становится горячим (электрифицированным), ток в линии переменного тока будет течь через эту землю на землю, а не через человека. Земля действует как почти бесконечный источник и приемник нежелательных избыточных токов. Земное заземление иногда называют защитным заземлением.
- Все ли изделия с переменным током нуждаются в заземлении?
Нет, не все приборы и потребительские товары должны иметь безопасное заземление и трехжильный шнур.Многие электроинструменты и даже недорогие электроприборы, такие как фены, имеют двойную изоляцию, а это означает, что потребуется два или даже три внутренних отказа, чтобы их полностью изолированный пластиковый корпус стал «живым». Следовательно, различные коды не требуют заземления для этих продуктов. Это хорошо, так как многие трехпроводные соединения линии переменного тока имеют неисправное или несуществующее соединение с землей из-за неправильной установки, обрыва соединения или неправильного использования со старыми розетками 3-проводного / 2-проводного адаптера.
- Что такое заземление шасси?
Заземление корпуса означает именно следующее: металлическое шасси или корпус является общей точкой подключения для всех «заземлений» питания и сигналов в конструкции. В большинстве случаев для устройств, работающих от сети переменного тока, заземление шасси, Рисунок 2 , должно быть подключено к заземлению в целях безопасности. Однако в некоторых конкретных случаях его нельзя подключать к заземлению из-за уникального применения или требований кода. Как и заземление, заземление шасси иногда называют защитным заземлением — еще один источник возможной путаницы.
Рис. 2: Символ заземления корпусаПоскольку многие из сегодняшних продуктов имеют неметаллические корпуса или корпуса, в целях безопасности не следует предполагать, что термин «заземление корпуса» связан с заземлением. Кроме того, многие линейные устройства и системы без переменного тока не имеют возможности подключения к заземлению (например, самолет или автомобиль), даже если они находятся в металлических корпусах. В этих случаях заземление шасси обычно является общей точкой подключения для всех так называемых заземлений в системе.
- Какие еще заземления есть в цепи?
В типичной конструкции могут быть связанные с питанием заземления как для источника питания от сети переменного тока, так и для питания постоянного тока, независимо от того, поступает ли этот постоянный ток из линии переменного тока или от батарей и связанных с ними регуляторов постоянного / постоянного тока.Есть также то, что часто называют основанием для различных аналоговых и цифровых функциональных блоков и сигналов внутри устройства.
Ни один из них не обязательно является «заземлением» в смысле наличия возможного соединения с землей. Гораздо лучший и более описательный термин для этих оснований — «обычный», представленный символом , рис. 3 . Если конструкция питается от сети переменного тока, общее соединение в конечном итоге подключается к заземлению шасси, а затем к заземлению в большинстве (но не во всех) случаях.
Рис. 3: символ общего; если в цепи более одного общего, они помечаются числом в треугольнике.Во многих дизайнах есть два, три или более общих. Может быть один общий для каждой подсистемы питания и по одному для различных цифровых подсистем и аналоговых подсистем; на самом деле, нет ничего необычного в том, чтобы иметь несколько общих аналоговых и цифровых сторон. В общем, все эти общие элементы должны быть соединены вместе в одной точке, называемой звездой, для обеспечения целостности сигнала и питания.Стандартная практика заключается в том, чтобы различать эти независимые сообщества, помещая числа в соответствующие треугольники.
- Можно ли использовать заземление для РЧ сигналов?
Да, может, но обычно это плохой путь для РЧ сигналов. Причина в том, что, хотя проводники к земле могут быть тяжелыми, провода и стержни малого сечения (требуемые различными правилами безопасности) и поэтому иметь низкое сопротивление для постоянного и низкочастотного переменного тока, они обычно имеют довольно высокую паразитную индуктивность и емкость. и, таким образом, имеют высокий импеданс для высокочастотных сигналов.Проектирование и реализация хороших заземлений для радиочастотных сигналов — это искусство и искусство.
Учитывая все эти основания и общие интересы, как они должны быть связаны друг с другом? Это тема второй части этого FAQ.
Редкоземельная электроника — Bose Fellows
Помещение
Новые виды магнетизма открывают новые технологические горизонты
В дополнение к своим привычным свойствам магнитного притяжения и отталкивания, некоторые магниты очень эффективно проводят электричество, хотя в этом технологическом контексте о них обычно не думают.Находясь в Токийском университете, доктор Джозеф Чекельски изучал материалы, содержащие обычные магнитные элементы, такие как железо и никель, чтобы понять их потенциал в новых электронных устройствах, использующих эту способность. В Массачусетском технологическом институте он начал заниматься менее традиционными материалами на основе редкоземельных элементов; Хотя технологически они хорошо известны как мощные постоянные магниты и как важные компоненты для освещения и батарей, они не нашли широкого применения в электронных устройствах, таких как транзисторы или термоэлектрики.
Их высокая летучесть в воздухе делает редкоземельные элементы непрактичными в качестве проводников для этих применений. Но доктор Чекельски чувствовал, что с соответствующим оборудованием можно будет работать с ними в форме, более подходящей для таких целей. «Мы полагали, что они могут иметь отношение к проводящим устройствам, энергонезависимой памяти и транзисторным устройствам», — говорит он. Без правильной машины он никогда бы не узнал, верна ли его гипотеза, поэтому он обратился в программу Бозе за финансированием для создания экспериментального устройства, которое позволило бы ему получить представление об электронных возможностях соединений редкоземельных элементов.
Вызов
Создание плодородной земли между физикой и материаловедением для исследований
Любопытство доктора Чекелси возникло из-за пересечения его естественных знаний в области физики и его опыта в области материаловедения в Японии. Ортодоксы с обеих сторон отклонились от подобных исследований. «С точки зрения материаловедения, — говорит он, — контроль над такими материалами был осуществлен сравнительно недавно, но общепринято считать, что они слишком сложны для интеграции в переключающие элементы транзисторного типа.С точки зрения физики сложность этих соединений и их способность не только обеспечивать заряд, но также магнетизм, тепло и коллективное поведение были оценены, но считалось, что их летучесть снижает их полезность. Я чувствовал, что пересечение этих двух дисциплин — эта «ничейная земля» — может стать чрезвычайно плодородной почвой для открытий ». Тем не менее, не было никакой гарантии, что его машина будет работать, а если и будет, то не было никакой гарантии, что материалы, содержащие редкоземельные элементы, окажутся полезными.Но это была догадка, и он был увлечен этим, и это то, что Амар Бозе оценил бы.
Я искал средства для создания инструмента, но обычно, если это большие инвестиции на университетском уровне, это должен быть элемент оборудования, который имеет четкие связи и приносит пользу большому количеству ученых. Но это было что-то нестандартное, что я хотел сделать, и именно это Bose позволил мне сделать ».
Потенциал
Новая машина для нового времени поиска
Изучение этих соединений редкоземельных элементов требует способности выращивать высококристаллические «эпитаксиальные» материалы под строгим контролем.Эпитаксия — это накопление кристаллического слоя на подложке и здесь означает способность выращивать высококачественные кристаллы в атомном масштабе. Камера для молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) — распространенный и мощный инструмент материаловедения; Доктору Чекельски потребовался прибор, приспособленный для разработки и изучения этих новых квантовых материалов. Он разработал устройство типа «сборочная линия», с помощью которого можно было изготавливать и тестировать эти соединения в атомно-тонких слоях без воздействия атмосферы, чтобы избежать их разложения.Доктор Чекельски надеялся, что если машина сработает, она покажет, что сильный магнетизм, связанный с редкоземельными элементами, может обеспечить электрический контроль магнитного поведения и новые типы квантовых электронных проводников в условиях, более близких к реальным, чем существующие материалы.
Постскриптум
Счастливый случай — и магнит для будущего сотрудничества
Машинка заработала. Доктор Чекельски и его команда начали успешно производить ультратонкие соединения, а затем приступили к изучению свойств материалов.Они обнаружили, что эти редкоземельные системы проявляют антиферромагнетизм — то есть они выровнены по правильной схеме с соседними спинами, указывающими в противоположных направлениях — и могут делать это, даже если они достаточно тонкие, чтобы быть прозрачными. Доктор Чекельски и его команда узнали, как управлять физическими свойствами этих материалов, и поняли, что они обладают потенциалом для создания более быстрой и эффективной электроники, чем другие традиционные материалы.
Когда доктор Чекельски начал распространять исследования своей команды, он обнаружил, что сделанные ими разработки поместили их в новую область — область, известную как спинтроника.«Это была счастливая случайность. Это поле открылось сразу после того, как мы узнали, как производить эти материалы — материалы, которые в настоящее время никто другой сделать не может », — говорит д-р Чекельски. «Фактически, у нас теперь есть промышленные партнеры, которые заинтересованы в сотрудничестве с нами над созданием антиферромагнитного устройства. Bose предоставил нам финансирование для реализации некоторых эзотерических и даже сумасшедших идей, и теперь наш проект открывает широкие возможности для будущего цифровых устройств и современной электроники ».
Электронике нужны редкоземельные элементы | Март 2019
Кейт КиркпатрикСвязь ACM, Март 2019, Vol.62 № 3, страницы 17-18
10.1145 / 3303847
Комментарии
Рудник редкоземельных металлов в Китае.
Кредит: Nikkei Asian Review
Редкоземельные элементы — это особые минералы, которые используются в самых разных потребительских и промышленных товарах. Хотя у них есть экзотически звучащие имена, такие как неодим, скандий и диспрозий, они в изобилии прямо здесь, на Земле. Однако они считаются редкими, поскольку появляются в очень малых концентрациях.
Кроме того, процесс, используемый для их отделения от пород, в которых они встречаются, чрезвычайно сложен, потому что элементы имеют одинаковый ионный заряд и схожие по размеру. Типичные процессы разделения и очистки часто требуют проведения тысяч стадий экстракции и очистки. Таким образом, эти материалы имеют значительную надбавку, и ряд рыночных и геополитических факторов могут привести к их росту в цене.
Редкоземельные элементы являются металлическими элементами и поэтому обладают уникальными свойствами, включая высокую термостойкость, сильный магнетизм, высокую электропроводность и высокий блеск.Эти особые свойства делают их хорошо подходящими для использования в различных продуктах, включая мобильные телефоны, аккумуляторы, громкоговорители, фонари, магниты и даже ветряные турбины. Кроме того, они часто являются ключевыми элементами, используемыми в создании компонентов, используемых в повседневных объектах, таких как светодиоды (светодиоды), волоконная оптика, компактные люминесцентные лампы, а также используются в качестве катализаторов, люминофоров и полировальных составов для защиты воздуха. управление, подсветка экранов на электронных устройствах и полировка стекла оптического качества.
Некоторые из редкоземельных металлов (и их атомные веса), которые обычно используются в электронике, включают лантан (57), церий (58), неодим (60), самарий (62), европий (63), тербий (65). и диспрозий (66).
Ожидается, что в ближайшие несколько лет спрос на редкоземельные элементы вырастет за счет увеличения использования и производства предметов, которые производятся с использованием редкоземельных элементов. Например, в 1998 году сотовыми телефонами, в которых есть батареи, требующие редкоземельных элементов, использовали всего 5 человек.3% населения мира, согласно данным международной телекоммуникационной индустрии. К 2017 году уровень проникновения мобильных телефонов во всем мире достиг 103,4% (превышая 100% из-за владения несколькими устройствами).
В 1990-х годах горнодобывающие компании Китая начали уделять особое внимание редкоземельным элементам; шахты в других странах не могли конкурировать с дешевыми китайскими горнодобывающими и перерабатывающими предприятиями.
Другие продукты, такие как электромобили и ветряные турбины, еще два десятилетия назад находились на стадии прототипа, но с тех пор получили широкое коммерческое распространение с положительным прогнозом спроса на следующие несколько десятилетий.В результате спрос на редкоземельные элементы со временем, вероятно, будет расти; В сочетании с относительно ограниченной базой поставщиков растущий спрос может привести к увеличению стоимости редкоземельных элементов для производителей как в США, так и во всем мире.
Всего 30 лет назад редкоземельные элементы добывались и перерабатывались в разных странах мира, включая США. Однако в начале 1990-х годов китайские горнодобывающие компании начали развивать производство редкоземельных элементов, а другие рудники по всему миру просто не могла конкурировать из-за более низкой стоимости операций на китайских рудниках и перерабатывающих предприятиях.В результате к концу 1990-х китайские компании контролировали более 90% рынка, а цены оставались относительно стабильными.
Однако в 2010 году Китай сократил квоты на экспорт редкоземельных элементов, и цены на них резко выросли. Кроме того, территориальный спор с Японией привел к тому, что Китай приостановил экспорт в эту страну на два месяца, доказав, что его контроль над редкоземельными элементами также может быть оружием в любом виде международного спора. Спекулянты стали копить редкоземельные минералы, в результате чего цены на них взлетели.Видя, что китайское правительство активно использует свой контроль над рынком редкоземельных элементов, чтобы получить желаемое, новые предприятия по производству редкоземельных элементов были открыты в США, Австралии, России, Таиланде, Малайзии и других странах.
Потенциальная торговая война между Китаем и США, чистым импортером редкоземельных элементов, в сочетании с ожидаемым ростом спроса на редкоземельные элементы в ближайшие несколько лет может способствовать росту цен на редкоземельные элементы.
Когда в прошлом цены на редкоземельные элементы резко выросли, производители смогли убедить своих инженеров снизить требования к редкоземельным элементам в некоторых продуктах, например, сократить или исключить использование европия и тербия в люминесцентных осветительных приборах, — говорит Пьер Нитби, вице-президент вице-президента США. президент по продажам и маркетингу компании Avalon Advanced Materials, Inc., канадская компания по разработке полезных ископаемых, которая, как ожидается, начнет коммерциализацию трех горнодобывающих проектов, включая тантал, ниобий и цирконий из редкоземельных элементов.
Новый красный люминофор, в котором используются активированные фторидные соединения марганцем4 + (Mn4 +), был разработан для замены редкоземельных материалов в освещении. Однако, по словам Нитби, для некоторых продуктов просто требуются редкоземельные элементы, чтобы обеспечить уровень производительности, необходимый клиентам.
Действительно, по словам Нитби, подходящих заменителей неодимовых магнитов, которые ценятся, потому что они чрезвычайно мощные и легкие, еще предстоит найти.»Итак, неодимовый магнит по-прежнему является самым мощным магнитом в мире, и для применения в [электрических] автомобилях вам нужен самый маленький и легкий двигатель, потому что чем тяжелее автомобиль, тем больше должен быть двигатель, чтобы двигай его вперед », — говорит Нитби. «Будь то F-35 [истребитель], большая подводная лодка или электромобиль, будут использоваться редкоземельные магниты».
Производство военной техники, такой как вышеупомянутый F-35, находится под угрозой поражения в результате эскалации U.Торговая война в Южном Китае, а также другое ключевое военное оборудование, такое как очки ночного видения, высокоточное оружие, средства связи, системы GPS, батареи и другая оборонная электроника, для каждой из которых требуются редкоземельные металлы в качестве ключевых ингредиентов. .
Положение Закона о государственной обороне, подписанное в августе 2018 года, запрещает Министерству обороны США покупать постоянные редкоземельные магниты, произведенные в Китае после декабря 2018 года. Эти магниты достаточно велики, чтобы поддерживать текущий спрос, эта мера, вероятно, вынудит Министерство обороны покупать редкоземельные элементы у японских производителей редкоземельных элементов, основного источника редкоземельных элементов за пределами Китая.
По оценкам Геологической службы США, производители США потребили 11 000 тонн редкоземельных элементов в 2017 году. Хотя администрация Трампа отказалась от введения высоких тарифов на редкоземельные элементы из Китая после призывов промышленных потребителей этих элементов в США, Китай не ответил взаимностью. а на экспорт редкоземельных элементов из США сейчас наложена 10% пошлина, которая в этом году может вырасти до 25%. Ожидается, что этот тариф отрицательно скажется на единственном в США действующем руднике редкоземельных элементов, расположенном в Маунтин-Пассе, Калифорния, и на способности США.Производители S., чтобы восстановить самодостаточную промышленность по производству редкоземельных элементов.
Рудник Mountain Pass был приобретен в прошлом году консорциумом MP Mine Operations LLC, принадлежащим США, после того, как его предыдущие владельцы, MolyCorp, закрыли его с 2015 года. Inc., когда эта фирма обанкротилась. Операции Mountain Pass были возобновлены в 2018 году, и теперь редкоземельные соединения рудника отправляются в Китай для разделения на отдельные оксиды редкоземельных элементов, хотя высокие тарифы, вероятно, негативно скажутся на способности компании конкурировать с китайскими производителями.
«Китайцы по-прежнему являются королями последующего производства материалов, в которых используются редкоземельные элементы; Molycorp обанкротилась, и единственным значительным внешним производителем редкоземельных элементов является Lynas (Австралия), но они производят в основном легкие редкоземельные элементы, «- говорит Нитби. «Все тяжелые редкоземельные элементы по-прежнему поступают из Китая, и в будущем в электромобилях будут использоваться электродвигатели, в которых используются редкоземельные элементы, и спрос начинает расти.«
Из-за угрозы прекращения поставок редкоземельных элементов многие компании накопили большие запасы редкоземельных элементов. Несмотря на силы, влияющие на предложение на рынке, спрос, вероятно, останется высоким.
«В общем, у вас есть довольно солидный рынок редкоземельных элементов», — говорит Нитби. «Все приложения, которые, вероятно, были нерентабельными, ушли, и теперь [рынок] эффективен и сосредоточен на неодиме и президиуме и, возможно, немного на диспрозии для высокотемпературных магнитов.И традиционные применения лантана, церия, лантана для катализаторов крекинга нефти и газа продолжают использоваться. Это большие объемы, но [составляют] меньшую ценность ».
Самая разумная стратегия обеспечения стабильных поставок редкоземельных элементов производителям по всему миру — увеличение добычи и переработки за пределами Китая. В настоящее время единственным крупным производителем редкоземельных элементов за пределами Китая является компания Lynas, которая управляет рудником Mount Weld в Западной Австралии и производит более 5000 метрических тонн неодима и празеодима (NdPr) в год, при этом большая часть продукции предназначена для японских покупателей.Другие проекты в Австралии, России и Бразилии будут запущены в производство в ближайшие несколько лет.
Более того, в прошлом году было обнаружено большое количество редкоземельных материалов под японскими водами на сотни лет, которых достаточно, чтобы поставлять их в мир на «полубесконечной основе», согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Publishing Group. Научные отчеты.
Однако основная проблема заключается в эффективном и экономичном разделении этих редкоземельных элементов, и консорциум поддерживаемых правительством Японии организаций, компаний и исследователей планирует провести технико-экономическое обоснование в течение следующих пяти лет.
Тем не менее вполне вероятно, что, независимо от результатов любых торговых переговоров по снижению или отмене тарифов или разработки нового способа извлечения редкоземельных элементов из новых месторождений, лучшая надежда производителей США на получение редкоземельных элементов будет заключаться в переработке отечественная промышленность редкоземельных элементов.
Источник, близкий к MP Mine Operations, сказал, что операционный план компании заключается в создании перерабатывающих мощностей, чтобы обеспечить полную, непрерывную добычу, добычу и переработку в США.С. в течение 18 месяцев, что может помочь снизить давление на рынке. По словам источника, близкого к компании, MP Mine Operations пытается создать американскую цепочку поставок и надеется, что правительство США окажет давление на Китай, чтобы он снизил или отменил импортные тарифы, которые влияют на компанию.
Джеймс Литинский, главный исполнительный директор JHL Capital Group LLC, основного владельца консорциума Mountain Pass, заявил Bloomberg News в сентябре прошлого года, что самодостаточность Mountain Pass послужит основой для американской индустрии редкоземельных металлов.«
Дополнительная литература
Альянс технологий редкоземельных элементов, Что такое редкие земли ?, http://www.rareearthtechalliance.com/What-are-Rare-Earths
Coyne, K.
Неодим в прошлом: ученые исследуют альтернативу дорогим редкоземельным элементам, R&D Magazine , 27 сентября 2017 г., http://bit.ly/2OUwHkK
Видео: документальный фильм BBC Super Elements на редких землях (2017 г.): https://www.youtube.com / watch? v = GOBKa4vxAOE
В начало
Автор
Кейт Киркпатрик — руководитель компании 4K Research & Consulting, LLC, расположенной в Линбруке, штат Нью-Йорк, США.
© 2019 ACM 0001-0782 / 19/03
Разрешение на изготовление цифровых или бумажных копий части или всей этой работы для личного или классного использования предоставляется бесплатно при условии, что копии не делаются и не распространяются с целью получения прибыли или коммерческой выгоды и что копии содержат это уведомление и полную ссылку на первой странице .Авторские права на компоненты этой работы, принадлежащие другим лицам, кроме ACM, должны соблюдаться. Абстракция с кредитом разрешена. В противном случае для копирования, повторной публикации, размещения на серверах или распространения в списках требуется предварительное специальное разрешение и / или плата. Запросите разрешение на публикацию по адресу [email protected] или по факсу (212) 869-0481.
Цифровая библиотека издается Ассоциацией вычислительной техники. Авторские права © 2019 ACM, Inc.
Записей не найдено
Из мусора в сокровища: электронные отходы добывают для получения редкоземельных элементов
В рамках запатентованного процесса магниты растворяются в азотной кислоте, и раствор непрерывно подается через модуль, поддерживающий полимерные мембраны.Мембраны содержат пористые полые волокна с экстрагентом, который выполняет роль своего рода химического «гаишника»; он создает селективный барьер и пропускает только редкоземельные элементы. Раствор, богатый редкоземельными элементами, собранный на другой стороне, подвергается дальнейшей обработке для получения оксидов редкоземельных элементов с чистотой более 99,5%.
Это замечательно, учитывая, что обычно 70% постоянного магнита состоит из железа, а не редкоземельного элемента. «По сути, мы способны полностью удалить железо и извлечь только редкоземельные элементы», — сказал Бхаве.Извлечение желательных элементов без совместного извлечения нежелательных означает, что образуется меньше отходов, которые потребуют последующей обработки и утилизации.
В число сторонников этой работы входят Институт критических материалов Министерства энергетики США (CMI) для исследования разделения и Управление по переходу на технологии Министерства энергетики США (OTT) для масштабирования процессов. ORNL является одним из основателей CMI, центра энергетических инноваций Министерства энергетики США, возглавляемого лабораторией Эймса Министерства энергетики и управляемого Управлением перспективного производства. «Добыча» кислотного раствора с помощью селективных мембран Бхаве присоединяется к другим многообещающим технологиям CMI для извлечения редкоземельных элементов, включая простой процесс дробления и обработки магнитов и бескислотную альтернативу.
Промышленность зависит от критически важных материалов, и научное сообщество разрабатывает процессы их переработки. Однако ни один коммерческий процесс не перерабатывает чистые редкоземельные элементы из электронных отходов магнитов. По данным Gartner, это огромная упущенная возможность, учитывая, что в 2019 году ожидается поставка 2,2 миллиарда персональных компьютеров, планшетов и мобильных телефонов по всему миру. «Во всех этих устройствах есть магниты из редкоземельных элементов», — отметил Бхаве.
ПроектBhave, начатый в 2013 году, представляет собой командную работу.Джон Клен и Эрик Петерсон из Национальной лаборатории Министерства энергетики штата Айдахо сотрудничали на начальном этапе исследования, посвященного химии, а Анант Айер, профессор Университета Пердью, позже оценил техническую и экономическую осуществимость масштабирования. В ORNL бывшие постдокторанты Дэджин Ким и Вишванат Дешмане изучали разработку и расширение процесса разделения, соответственно. Нынешняя команда ORNL Бхаве, в которую входят Дейл Адкок, Пранати Гангаварапу, Сайед Ислам, Ларри Пауэлл и Приеш Ваг, сосредоточена на расширении процесса и работе с отраслевыми партнерами, которые будут коммерциализировать технологию.
Чтобы убедиться, что редкоземельные элементы могут быть извлечены из широкого спектра исходного сырья, исследователи подвергли процессу магниты различного состава — от источников, включая жесткие диски, аппараты магнитно-резонансной томографии, сотовые телефоны и гибридные автомобили.
Большинство редкоземельных элементов — это лантаноиды, элементы с атомными номерами от 57 до 71 в периодической таблице. «Огромный опыт ORNL в химии лантаноидов дал нам огромный толчок», — сказал Бхаве. «Мы начали изучать химический состав лантаноидов и способы селективного извлечения лантаноидов.”
За два года исследователи адаптировали химию мембран для оптимизации извлечения редкоземельных элементов. Теперь их процесс восстанавливает более 97% редкоземельных элементов.
На сегодняшний день проект Бхаве по переработке отходов привел к получению патента и двух публикаций (здесь и здесь), в которых документируется извлечение трех редкоземельных элементов — неодима, празеодима и диспрозия — в виде смеси оксидов.
Второй этап разделения начался в июле 2018 года с целью отделения диспрозия от неодима и празеодима.Смесь трех оксидов продается по цене 50 долларов за килограмм. Если бы диспрозий отделить от смеси, его оксида можно было бы продавать в пять раз дороже.
На втором этапе программы будет также изучено, можно ли разработать базовый процесс ORNL для разделения редкоземельных элементов для отделения других востребованных элементов от литий-ионных батарей. «Ожидаемый высокий рост электромобилей потребует огромного количества лития и кобальта», — сказал Бхаве.
Промышленные усилия, необходимые для развертывания процесса ORNL на рынке, финансируемые в течение двух лет Фондом коммерциализации технологий OTT Министерства энергетики, начались в феврале 2019 года.
Цель состоит в том, чтобы извлекать сотни килограммов оксидов редкоземельных элементов каждый месяц, а также подтверждать, проверять и сертифицировать, что производители могут использовать переработанные материалы для создания магнитов, эквивалентных магнитам, сделанным из первичных материалов.
Управление перспективного производства Министерства энергетики США, входящее в состав Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, финансировало это исследование через CMI, который был создан для диверсификации поставок, разработки заменителей, улучшения повторного использования и переработки и проведения сквозных исследований критически важных материалов.ORNL обеспечивает стратегическое направление для этих областей с момента создания CMI в 2013 году. Это включает в себя предоставление руководителей для приоритетных областей и проектов, которые привели к новым инновациям в алюминиево-цериевых сплавах и переработке магнитов.
UT-Battelle управляет ORNL Управления науки Министерства энергетики США. Управление науки, являющееся крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах, работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https: // energy.правительство / наука.
Месяц Земли 2021 | Fredonia.edu
Вместе мы можем изменить мир к лучшему!
Что вы можете сделать с « Be The Change »? Вот простой список повседневных действий, которые вы можете предпринять, чтобы изменить ситуацию к лучшему.
Ближайшие события
21 апреля — Евразийская жимолость / облепиха / бирючина на выставке Campus Woodlot . Встречаем у входа в ближайший объект в 1:00.Мы будем выезжать в лес в конце Лесного участка, где нас ждут сооружения, чтобы нас можно было найти. Это более тяжелая физическая деятельность. Будут доступны некоторые перчатки и несколько инструментов.
Область графического дизайна VANM рада представить:
PANDO: ИСКУССТВО / НАУКА / ДИЗАЙН
23.04.2021 в 15:00
Лекция и презентация Лэнса Одитта
Фотограф на свободе для Western Aspen Alliance
Фасилитатор культуры и искусства для друзей Пандо
Бесплатно и открыто для всех студентов и членов сообщества.
PANDO: ИСКУССТВО / НАУКА / ДИЗАЙН
Время: 23 апреля 2021 г., 15:00 PM США / Восток
Участники сообщества и студенты могут зарегистрироваться через Eventbrite
https://www.eventbrite.com/e/p
Студенческая работа
Студенты в классе экологической коммуникации Трейси Марафиот провели оценку жизненного цикла нескольких повседневных задач. Смотрите их презентации ниже!
Омлет для завтрака
Джинсы
Прищепки
Fredonia не будет проводить в этом году мероприятие, посвященное Дню переработки электроники.Если у вас есть личная электроника, которую нужно утилизировать, ее можно сдать на станцию пересылки в округе Чатокуа.
Спасите Землю и будьте экологичны: переработайте свою электронику
Когда дело доходит до избавления от нашей старой электроники, это в значительной степени Дикий Запад, свободный для всех, с несколькими законами, множеством плохих парней и всеми самими собой . Несмотря на недавний рост экологической сознательности, наблюдаемый в запретах на пластиковые пакеты и в правилах, запрещающих использование ламп накаливания в пользу более энергоэффективных ламп CFL, мы даже не начали решать эту проблему.Давайте начнем это исправлять прямо сейчас.
Как правильно очистить свое тело >>>
Что такое электронные отходы? Как раз о E-verything.
«Электронные отходы» — это универсальный термин для выброшенных электронных продуктов, но этот термин чаще всего используется в отношении таких гаджетов, как сотовые телефоны (американцы меняют свои сотовые телефоны примерно каждые 18 месяцев), принтеры, планшеты, телевизоры и т. Д. и компьютеры. Согласно iFixit (подробнее об этих ребятах позже), ежегодно образуется около 20 миллионов тонн электронных отходов.Только С. вносит 3,4 миллиона тонн ежегодно. Подумайте об этом: полные 75% всех наших электронных отходов выбрасываются. Это огромная растущая гора мусора. В целом, «это распределяется между сбросом, переработкой и экспортом», — говорит Ларри Херст, генеральный директор Triangle Ecycling в Дареме, Северная Каролина. «Но на данный момент очень мало информации» о том, чем все это заканчивается, и это уже само по себе ужасно.
Высокотехнологичный мусор — это не просто космический отсос, он также очень вреден: сброшенные устройства выделяют известные канцерогены и другие токсины, такие как свинец, ртуть, барий и другие тяжелые металлы, в землю, воду и воздух.Это грязная и опасная проблема, которая растет, но, к сожалению, регулирование не успевает за ней.
Экологичные секс-товары >>>
Что с этим делать? Почти ничего.
Даже EPA отстает от времени. Его политика заключается в том, что электронные отходы, производимые отдельными людьми, не считаются «опасными» — это означает, что с вашими электронными отходами можно обращаться как с обычным бытовым мусором, и они попадут на свалки твердых отходов или мусоросжигательные заводы, несмотря на известные опасности электронных отходов. отходы компонентов.В отсутствие строгих местных или государственных правил мы фактически оставляем всех делать то, что они хотят со своими электронными отходами, к черту последствия.
EPA также заявляет, что переработчики несут ответственность за определение того, что является отходами, а что нет. Но отсутствие регулирования означает, что проблема может усугубляться даже переработчиками с благими намерениями: E-Stewards (инициатива по защите рециклинга от некоммерческой сети Basel Action Network) оценивает, что 50–80% того, что принято на переработку, на самом деле попадает в экспортируется в развивающиеся страны.
ООН инициировала международный договор, запрещающий развитым странам просто отправлять свои опасные отходы в более бедные страны. Этот договор, известный как Базельская конвенция, вступил в силу в 1992 году, но так и не был ратифицирован США. Это означает, что здесь усилия крупных компаний по переработке отходов являются полностью добровольными. Угадай, насколько хорошо это работает.
Спасут ли Apple Watch вашу жизнь? >>>
Что такого ужасного в электронных отходах? Вы бы удивились.
То, что происходит, когда электронные отходы достигают места назначения в Африке, Китае или Индии, можно легко описать как кошмар: Агбогблоши в Гане — крупнейшая свалка электронных отходов в мире, которую обычно называют «Содом и Гоморра». »Даже местными жителями, согласно отчету Newsweek за 2011 год. На свалке токсичные электронные отходы разрывают вручную и даже сжигают, чтобы получить металлолом. Многие из рабочих — дети, обычно мальчики, которые собирают сырье, такое как медь и олово, чтобы заработать на жизнь 2 доллара.50 в день.
По данным Al Jazeera, большинство этих мальчиков, действующих без знания или защиты от этих экологических рисков, умрут от рака в возрасте до 30 лет.
10 самых удивительных здоровых ингредиентов >>>
Итак что ты можешь сделать? 1) Используйте сертифицированного переработчика.
Некоммерческая инициатива e-Stewards имеет программу сертификации для переработчиков, которая по существу гарантирует, что произойдет с вашей электроникой, когда вы закончите, поэтому вы можете быть уверены в переработке электронных отходов.Сертифицированные переработчики проходят аудит и проверку на предмет использования «передовой практики», включая положения о том, что электронные отходы нельзя вывозить на свалки или «перерабатывать» с использованием вредного детского труда. Они называют это «подотчетностью нижестоящих»: сертифицированные переработчики доказали, что они обращаются с электронными отходами безопасно и ответственно на каждом этапе процесса. Прежде чем отправлять отходы в местную программу утилизации, спросите их, сертифицированы ли они e-Stewards, или посетите estewards.org, чтобы найти сертифицированного переработчика e-Steward.
7 Экстремальные приключения с адреналином >>>
2) Переработка, переработка, переработка
Многие выброшенные электронные устройства все еще имеют много потенциального использования, и их пока не нужно выбрасывать.Крупные бренды и некоторые предприниматели уже осознали это и создали программы утилизации и даже торговые площадки для использованных гаджетов. Gazelle.com, крупнейший из сторонних сайтов, предлагает наличные деньги за ваши старые устройства, особенно смартфоны, планшеты и ноутбуки. Они обновляют то, что могут, и открыли собственный магазин по перепродаже, чтобы позволить потребителям покупать «сертифицированную подержанную» электронику. Это отличный выбор, если ваше устройство не сломано или не слишком старое, например, iPhone пары поколений назад, которому нужна новая батарея или экран.Думайте об этом как о салоне подержанных автомобилей: вы обмениваете старое устройство в кредит на новое — что здорово, если у вас аккуратно подержанный Civic, но может не иметь смысла, если у вас есть Gremlin это, вероятно, все равно попадет в кучу металлолома.
У Apple есть аналогичная программа, которая предлагает 10% скидку на новый iPod, если вы принесете старый на переработку, и обменяет подарочную карту Apple на подержанный телефон, планшет или компьютер, который все еще имеет ценность. Плохая новость заключается в том, что Apple принимает решение о том, сколько стоит ваше устройство; но они все равно повторно используют или перерабатывают его для вас.Samsung, Sony и Toshiba — это лишь несколько примеров других производителей, у которых есть программы обратного выкупа, повторного использования и утилизации.
Итог: если вы заменяете устройство, в котором еще может быть срок службы, посетите сторонние сайты, посвященные ремонту, а не переработке, и программам производителя, ориентированным на ответственное обращение с отходами, либо путем перепродажи. или переработка.
Передовая ходовая часть >>>
3) Научитесь чинить вещи
Это не просто клише, что современные американцы не ремонтируют вещи, они просто выбрасывают их и покупают новые.Это правда, и iFixit, сторонник электронного «сделай сам», поставил перед собой цель изменить это мышление, поставив перед собой задачу ремонта, которая частично состоит в пропаганде, а частично в практических рекомендациях. Они создали сайт с открытым исходным кодом, где вы можете найти руководства и учебные пособия по ремонту всех видов электроники, от iPad до тостеров, или даже добавить свое собственное руководство по ремонту, чтобы внести свой вклад в базу знаний. Они также продают инструменты и запасные части, чтобы сделать ремонт более удобным и поддерживать сайт на плаву без какой-либо рекламы или корпоративной предвзятости.
7 Новые, высокотехнологичные кроссовки, которые вам нужны >>>
4) Не допускайте «зеленой промывки»
Когда приходит время покупать новый продукт, остерегайтесь «зеленой промывки», своего рода маркетинга, который продвигает продукт как зеленый без фактов, подтверждающих это. Подобно заявлениям об «органической» пище, есть много обещаний, которые могут звучать великолепно, но мало что значат. Регистрация через iFixit и Greenpeace — ответственный вариант.
iFixit не только показывает, как отремонтировать то, что у вас есть, но и помогает определить, какие устройства являются наиболее экологичными, поскольку их легче всего ремонтировать и утилизировать.Они называют это «правом на ремонт» и указывают на то, что корпоративная прибыль фактически выигрывает от одноразовости, поэтому многие производители предприняли шаги, чтобы фактически усложнить ремонт, например установили правила о том, кто и как может ремонтировать их продукты.
16 лучших спортивных наушников для любого бюджета >>>
Например, Nikon будет продавать запасные части только авторизованным ремонтным станциям. Скотт Джарви, фотограф, сравнивает политику Nikon в отношении ремонта с тем, что вы не можете отвезти вашу машину к любимому механику, а вместо этого вынуждены пользоваться собственной ремонтной мастерской автомобильной компании.Отсутствие выбора благоприятствует компании, а не потребителю, и это может подтвердить любой, кто ремонтировал машину в сомнительном дилерском центре. Это отличный аргумент в пользу ознакомления с «руководствами по ремонту» iFixit и последними сообщениями в блогах о новых устройствах на ifixit.org.
Гринпис издает «Путеводитель по экологичной электронике» — ресурс, позволяющий взглянуть на общую картину производства и переработки экологически чистой электроники. По сути, это табель успеваемости производителя, руководство дает компаниям от Nokia до Sony оценку от 1 до 10 по целому ряду факторов, включая использование опасных материалов и конфликтных минералов, энергоэффективность конечного продукта и использование чистой энергии в производстве.Последние обновления можно найти в разделе «Экологичная электроника» на сайте greenpeace.org.
Возможно, «детокс» — лучший способ подумать о нашей проблеме с техническим мусором: если мы сможем преодолеть наше культурное мышление, что «новое» — это золотой стандарт, все одноразовые, а стоимость устройств ограничена наклейкой цена, есть хорошие шансы, что мы сможем принимать более обоснованные решения о том, что мы покупаем, и заставлять производителей придерживаться более высоких стандартов.
