Неподвижный проводящий контур, находящийся в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени. — Студопедия
Поделись с друзьями:
| . Иллюстрация правила Ленца. В этом примере а инд < 0. Индукционный ток Iиндтечет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура |
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках.
Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной
| Рисунок 1.20.3. Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон |
На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен
| FЛ = eυB |
Работа силы FЛ на пути l равна
A = FЛ · l = eυBl.
|
По определению ЭДС
|
В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для инд можно придать привычный вид. За время Δt площадь контура изменяется на ΔS =lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ =
Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей инд и нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали и положительное направление обхода контура как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.
Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный Iинд = инд/R. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло
Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца.
При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера . Для случая, изображенного на рис. 1.20.3, модуль силы Ампера равен FA = I B l. Сила Ампера направлена навстречу движению проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δ
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
| Модель. Электромагнитная индукция |
| Модель. Опыты Фарадея |
| Модель. Генератор переменного тока |
ЭДС взаимоиндукции.
Взаимоиндукция (взаимная индукция)— возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Взаимоиндукция — частный случай более общего явления — электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через (воображаемую) поверхность, «натянутую» на контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике.
Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимоиндукция между цепями. С количественной стороны явление взаимоиндукции характеризуется взаимной индуктивностью (коэффициентом взаимоиндукции, коэффициентом связи). Для изменения величины индуктивной связи между цепями, катушки делают подвижными. Приборы, служащие для изменения взаимоиндукции между цепями, называются вариометрами связи.
Е12 =
Индуктивность.
Индуктивностью принято называть физическую (электрическую) величину, характеризующую магнитные свойства электрических цепей.
Магнитное поле создается электрическим током, протекающим через проводящий контур. Так происходит вследствие того, что электрический ток с самого начала содержит в себе энергию. Когда электроток проходит через проводник, он отдает часть энергии, которая будет превращена в энергию для магнитного поля. Таким образом, индуктивность рассматривают как коэффициент пропорциональности между возникающим магнитным полем и протекающим током.
Единицу измерения индуктивности обозначают буквой «L», измеряют в 1 Гн (генри). Принято считать, что катушка индуктивности будет иметь значение 1 Гн том случае, когда происходит изменение величины тока в 1 А, а за время в одну секунду 1с возникает ЭДС значением 1 В.
Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком, называемым также потокосцеплением, создаваемым этим током через поверхност, краем которой является этот контур.
Индуктивность является электрической инерцией, подобной механической инерции тел. А вот мерой этой электрической инерции как свойства проводника может служить ЭДС самоиндукции. Характеризуется свойством проводника противодействовать появлению, прекращению и всякому изменению электрического тока в нём.
В формуле:
{\displaystyle \displaystyle \Psi =LI}
Индуктивность соленоида, т.е. очень длинной однослойной катушки т.е. длина катушки l во много раз больше ее диаметра d, определяется формулой:L = μ0μn2V,
где μ – относительная магнитная проницаемость сердечника соленоида, n – число витков, приходящееся на единицу длины, т.е. n = N/l, V – объем соленоида, равный πd2l/4.
Единицей индуктивности является генри (Гн). Индуктивностью 1 Гн обладает такой проводник, в котором при изменении тока на 1 А в 1 с возникает э.д.с. самоиндукции 1 В. Из формулы (1) следует, что 1 Гн = 1 В∙с/А.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Ответы | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||
05.17
|
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Посмотреть всех экспертов из раздела Учеба и наука
| Похожие вопросы |
В треугольнике ABC известно, что AC=6, BC=8, угол C равен 90°.
Найдите радиус описанной около этого треугольника окружность.
На пишите пожалуйста решение
Решено
Площадь треугольника ABC равна 31, DE — средняя линия, параллельная стороне AB. Найдите площадь трапеции ABED.
Решено
Радиус вписанной в квадрат окружности равен 4√2 найти радиус окружности описанной около этого квадрата
Медиана равностороннего треугольника равна 13√3.Найдите его сторону. Решение плиз
1. Кто, по-твоему, скорее всего, выиграет в условиsх рос- инфляции: 1) молодая семья, получившая льготный кре- дит(без выплаты банку процентов) в 300 тыс. р.: 2) быв- ший военный,
Пользуйтесь нашим приложением
Демоверсия 1 проверочной работы по теме «Механические и электромагнитные колебания» 11 класс
- В неподвижной проволочной рамке, находящейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
Выберите правильное утверждение.
Выберите правильное утверждение.А. Сила тока прямо пропорциональна сопротивлению рамки.
Б. Сила тока тем больше, чем медленнее изменяется магнитный поток через рамку.
В. Сила тока максимальна, когда магнитный поток через рамку
не изменяется.
Г. Если плоскость рамки параллельна линиям индукции магнитного поля, магнитный поток через рамку равен нулю.
- Колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Не учитывая потерь энергии при колебаниях, выберите правильное утверждение.
А. При электромагнитных колебаниях в контуре сила тока максимальна в тот момент, когда заряд конденсатора равен нулю.
Б. В этом контуре может существовать постоянный ток.
В. В контуре могут возникать только вынужденные электромагнитные колебания.
Г. Направление тока в контуре не изменяется.
- Сердечник трансформатора не является цельным, он собран из отдельных стальных пластин. Выберите правильное утверждение.
А. Между пластинами существует хороший электрический контакт.
Б. Сердечник трансформатора может быть изготовлен из меди.
В. Это сделано для уменьшения расхода стали.
Г. Это сделано для уменьшения потерь энергии, обусловленных вихревыми токами в сердечнике.
- Замкнутый неподвижный проводящий контур находится в постоянном однородном магнитном поле, направленном по нормали к плоскости контура. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
А. Если магнитное поле будет изменяться, возникнет вихревое электрическое поле.
Б. Если плоскость контура поворачивать, в контуре возникнет индукционный ток.
В.
Если контур перемещать поступательно, в нем возникнет индукционный ток.
Г. ЭДС индукции в контуре тем больше, чем больше индукция магнитного поля.
- Для получения свободных электромагнитных колебаний заряженный конденсатор емкостью 1 мкФ соединили с катушкой, индуктивность которой 10 мГн. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
А. Частота колебаний в контуре меньше 800 Гц.
Б. Период колебаний в контуре больше 1 мс.
В. Период колебаний в контуре зависит от первоначального заряда конденсатора.
Г. Амплитуда колебаний зависит от первоначального заряда конденсатора.
- Амперметр, включенный последовательно с конденсатором емкостью 20 мкФ в цепь переменного тока частотой 50 Гц, показывает силу тока 400 мА. Считая конденсатор идеальным, отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
А. При протекании переменного тока через конденсатор тепло не выделяется.
Б. Амплитудное значение напряжения на конденсаторе менее 200 В.
В. Вольтметр, включенный параллельно конденсатору, покажет напряжение менее 120 В.
Г. Амперметр показывает амплитудное значение силы тока в цепи.
- На рисунке показано направление индукционного тока, возникающего в короткозамкнутой проволочной катушке, когда относительно нее перемещают магнит. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
А. Магнит удаляют от катушки.
Б. Внутри катушки магнитное поле индукционного тока направлено вверх.
В. Магнит и катушка притягиваются друг к другу.
Г. Внутри катушки линии магнитной индукции поля магнита направлены вверх.
- Груз на пружине совершает свободные колебания. Выберите правильное утверждение.
Выберите правильное утверждение.А. По мере уменьшения амплитуды колебаний частота увеличивается.
Б. Период колебаний не зависит от их амплитуды.
В. Колебания возможны только при достаточно большой силе трения.
Г. Колебания груза являются незатухающими.
- Подвешенный на пружине груз совершает вертикальные колебания. Выберите правильное утверждение.
А. Частота колебаний тем больше, чем меньше их амплитуда.
Б. Кинетическая энергия груза равна нулю при прохождении положения равновесия.
В. Период колебаний тем больше, чем больше их амплитуда.
Г. Потенциальная энергия пружины максимальна, когда груз находится в нижней или верхней точках траектории.
- Материальная точка совершает гармонические колебания вдоль оси x. Зависимость координаты этой точки от времени имеет вид х=0. 15 sin 10пt . Все величины заданы в СИ. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
15 sin 10пt . Все величины заданы в СИ. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.А. Циклическая частота колебаний больше 50 рад/с.
Б. Период колебаний больше 1 с.
В. Частота колебаний больше 3 Гц.
Г. Амплитуда колебаний меньше 10 см.
- Шар массой 1 кг колеблется на пружине, жесткость которой равна 40 Н/м. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
А. Если жесткость пружины уменьшится, период колебаний также уменьшится.
Б. Частота колебаний шара больше 0,5 Гц.
В. Период колебаний шара меньше 1,5 с.
Г. Если шар заменить грузом массой 4 кг, период колебаний увеличится в 2 раза.
- Грузу массой 90 г, висящему на пружине жесткостью 36 Н/м, сообщили толчком скорость 25 см/с, направленную вертикально вверх. Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.
Отметьте, какие из следующих четырех утверждений правильные, а какие — неправильные.А. Амплитуда возникших колебаний больше 8 мм.
Б. Амплитуда возникших колебаний больше 2 см.
В. Через половину периода колебаний кинетическая энергия груза меньше 4 мДж.
Г. Максимальная потенциальная энергия пружины больше 2 мДж.
Тестирование
ТестированиеС использованием закона Фарадея для электромагнитной индукции можно объяснить
возникновение электрического тока в замкнутой катушке при уменьшении силы тока в другой катушке, находящейся рядом с ней
взаимодействие двух параллельных проводов, по которым идет ток
отклонение магнитной стрелки, расположенной вблизи проводника с током параллельно ему
возникновение силы, действующей на движущуюся заряженную частицу в магнитном полеПостоянный магнит за время 0,1 с вводят в катушку, соединённую длинными проводами с микроамперметром, находящимся на столе в другом конце комнаты, переходят за время 2 с к столу с микроамперметром и наблюдают за стрелкой микроамперметра.
Второй раз магнит вводят за время 0,2 с, а переходят
за время, равное 5 с. Каковы итоги наблюдений за стрелкой микроамперметра?Оба раза показания стрелки равны нулю
Оба раза стрелка отклонилась одинаково
В первый раз стрелка отклонилась вдвое больше
Во второй раз стрелка отклонилась вдвое большеНа рисунке представлен график зависимости магнитного потока через проводящий неподвижный контур от времени. В каком интервале времени модуль ЭДС индукции в контуре равен нулю?
0 – 1 с
1 – 3 с
3 – 4 с
0 – 4 сКатушка замкнута на гальванометр.
А) В катушку вдвигают постоянный магнит.
Б) Катушку надевают на постоянный магнит.
Электрический ток возникаеттолько в случае A)
только в случае Б)
в обоих случаях
ни в одном из перечисленных случаевВ опыте по исследованию ЭДС электромагнитной индукции квадратная рамка из тонкого провода со стороной квадрата b находится в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рамки. Индукция поля возрастает за время t по линейному закону от 0 до максимального значения В
макс. Как изменится ЭДС индукции, возникающая в рамке, если b уменьшить в 2 раза, а Вмакс увеличить в 4 раза?увеличится в 2 раза
увеличится в 4 раза
не изменится
уменьшится в 2 разаВ однородном магнитном поле помещена проволочная рамка площадью 400 см
2. Плоскость рамки составляет угол 30o с направлением линий магнитной
индукции. На рис. представлен график зависимости индукции магнитного поля
от времени. Чему равна ЭДС индукции в момент времени, равный 3 с?1,32 мВ
3,44 мВ
4 мВ
8 мВПри движении проводника в однородном магнитном поле на его концах возникает ЭДС индукции ε
1. Чему станет равной ЭДС индукции ε2 при увеличении скорости движения проводника в 2 раза?ε2 = 2ε1
ε2 = ε1
ε2 = 0,5ε1
ε2 = 4ε1Если сила тока в катушке индуктивностью 0,4 Гн изменяется со временем, как показано на графике, то максимальное значение ЭДС самоиндукции в катушке равно
1 В
2 В
3 В
4 ВНа рисунке показано изменение силы тока I в катушке индуктивности от времени t.
Модуль ЭДС самоиндукции принимает наименьшее значение в промежутках
времени0 — 1 с и 2 — 3 с
1 — 2 с и 2 — 3 с
0 — 1 с и 3 — 4 с
2 — 3 с и 3 — 4 сИндуктивность катушки увеличили в 2 раза, а силу тока в ней уменьшили в 2 раза. Энергия магнитного поля катушки при этом
увеличилась в 8 раз
уменьшилась в 2 раза
уменьшилась в 8 раз
уменьшилась в 4 раза
Второй раз магнит вводят за время 0,2 с, а переходят
за время, равное 5 с. Каковы итоги наблюдений за стрелкой микроамперметра?
Плоскость рамки составляет угол 30o с направлением линий магнитной
индукции. На рис. представлен график зависимости индукции магнитного поля
от времени. Чему равна ЭДС индукции в момент времени, равный 3 с?
Модуль ЭДС самоиндукции принимает наименьшее значение в промежутках
времениПрименение резонансных методов передачи электроэнергии в космических и летательных аппаратах |
Применение резонансных методов передачи электроэнергии в космических и летательных аппаратах
Резонансный способ и устройство могут быть использованы для передачи электрической энергии на самолеты, шары-зонды, ракеты и низкоорбитальные спутники, как в непрерывном, так в импульсивном режиме.
Рассмотрим беспроводные методы передачи электрической энергии в атмосфере.
В способе передачи электрической энергии на высокой частоте через околоземное пространство, включающем генерирование электромагнитных колебаний и передачу их к потребителю по линии связи, между высокочастотными генераторами электромагнитных колебаний и приемниками энергии формируют в атмосфере проводящие каналы, проходящие через промежуточное проводящее тело, расположенное в околоземном пространстве. Формирование проводящих каналов осуществляют фотоионизацией воздуха лазерным излучением и электрическим пробоем ионизированного воздуха в канале путем подачи высокого напряжения. Высокочастотные генераторы и приемники энергии соединяют с проводящими каналами через резонансные L-С контуры, содержащие конденсатор переменной емкости, а также собственную емкость и индуктивность повышающих трансформаторов Тесла, присоединенных к высокочастотным генераторам энергии, и понижающих трансформаторов Тесла, присоединенных к приемникам энергии непосредственно или через выпрямительные блоки.
Для передачи электрической энергии одному или нескольким приемникам энергии, находящимся в пределах прямой видимости от промежуточного проводящего тела, промежуточные проводящие тела выполнены в виде проводящих экранов, установленных на летательных аппаратах.
Для передачи электрической энергии удаленным приемникам энергии на Земле и в околоземном пространстве в качестве промежуточного проводящего тела используют проводящие слои ионосферы Земли.
Для передачи электрической энергии от высокочастотного генератора энергии на приемники по крайней мере один высокочастотный генератор энергии устанавливают на Земле, а приемники энергии – на Земле и летательных аппаратах. Проводящие каналы формируют как со стороны Земли, так и от летательных аппаратов.
Установленные на Земле и на летательных аппаратах высокочастотные генераторы энергии и приемники энергии, соединенные между собой проводящими слоями ионосферы и проводящими каналами, образуют единую энергетическую систему Земли.
В устройстве для передачи электрической энергии в околоземном пространстве, содержащем высокочастотные генераторы энергии, приемники энергии и линии связи между ними, линии связи выполнены в виде проводящих воздушных каналов, сформированных лазерными пучками, каждый из которых соединен с одной стороны через формирователь проводящего канала с одним из выводов высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора Тесла, а с противоположной стороны с промежуточным проводящим телом, расположенным в околоземном пространстве. Формирователи проводящих каналов и сами проводящие каналы электрически изолированы от лазеров с помощью электроизолированных экранов, прозрачных для излучения лазеров /25/.
Для реализации глобальной системы передачи электрической энергии все высокочастотные генераторы и приемники энергии соединены между собой проводящими каналами через проводящие слои в ионосфере в единую энергетическую систему.
На рис. 1.40 электрическую энергию от высокочастотного генератора энергии 1 через резонансный L-С контур 2, содержащий переменную емкость С1 и собственную емкость С2 и индуктивность L повышающего высокочастотного трансформатора Тесла 3, повышают по напряжению и передают на формирователь канала 4 и на проводящий канал 5, который является направляющей системой для электромагнитных волн.
Проводящий канал 5 формируют в атмосфере с помощью лазера 6 и высоковольтного электрического разряда, получаемого с помощью высоковольтного трансформатора Тесла 3. Лазер 6 изолирован от высокого напряжения на формирователе проводящего канала 4 и в проводящем канале 5 с помощью электроизолирующего экрана 7, прозрачного для излучения лазера. Проводящий канал 5 соединяет высокочастотный генератор 1 и трансформатор Тесла 3 с промежуточным проводящим телом 8. Приемник энергии 9 соединен через выпрямитель 10, понижающий высоковольтный трансформатор Тесла 12, резонансный L-С контур 13, формирователь канала 14 с проводящим каналом 15, который сформирован в атмосфере с помощью лазера 16 и высоковольтного электрического разряда от трансформатора Тесла 3 и 12. Лазер 16 получает электрическую энергию от вспомогательного генератора 11. Вспомогательный генератор 11 используется для питания трансформатора Тесла 12 для подачи высокого напряжения и электрического пробоя проводящего канала 15. Проводящий канал 15 соединяет резонансный L-С контур с промежуточным проводящим телом 8.
Резонансный L-С контур 13 состоит из конденсатора переменной емкости Сз и собственной емкости С4 и индуктивности L2 высокочастотного понижающего трансформатора Тесла 12.
Промежуточное проводящее тело 8 выполнено в виде проводящего экрана, установленного на летательном аппарате, например низкоорбитальном спутнике, шаре-зонде, аэростате, дирижабле, самолете или вертолете. Лазер 16 изолирован от высокого напряжения с помощью электроизолированного экрана 17.
В общем случае, к промежуточному проводящему телу 8 могут быть присоединены несколько приемников энергии 9 с помощью проводящих каналов 15, сформированных лазерами 16 со стороны Земли между приемниками энергии 9 и промежуточным проводящим телом 8. Принцип работы устройства для передачи электрической энергии не изменится, если лазеры 16 установлены на промежуточном проводящем теле 8. В этом случае проводящие каналы 9 формируются со стороны промежуточного проводящего тела 15 по направлению к приемникам энергии 9 на Землю.
На рис. 1.41 в качестве промежуточного проводящего тела используют проводящие слои ионосферы 18 Земли 19. Концентрация заряженных ионов в проводящих слоях ионосферы составляет от 104 до 106 см-3 . В этом случае между приемником 9 и генератором энергии 1, установленными на поверхности Земли 19, возникает однопроводная линия, состоящая из проводящих каналов 5 и 15 и проводящего слоя ионосферы 18.
На рис. 1.42 передача электрической энергии от одного или нескольких источников энергии 20 на Земле 19 на летательные аппараты 21 и 22, находящиеся в атмосфере, происходит с помощью проводящих каналов 23 и 24, сформированных между источником электрической энергии 20 и проводящими слоями 18 в ионосфере и между приемника-
Рис. 1.40. Общая схема резонансного способа и устройства
для передачи электрической энергии в атмосфере
Рис. 1.41. Конструкция устройства для передачи электрической энергии через ионосферу между генератором и приемником электрической энергии, установленными на земле
Рис.
1.42. Резонансный способ передачи электрической энергии
с Земли на летательные аппараты в атмосфере
через проводящие слои в ионосфере
Рис. 1.43. Способ и устройство дли передачи электрической
энергии от летательных аппаратов в атмосфере на 3емлю
ми энергии, установленными на летательных аппаратах 21 и 22 и проводящими слоями ионосферы 18. Проводящие каналы 24 между летательными аппаратами 21, 22 и проводящими слоями 18 в ионосфере создаются с помощью лазеров или микроволновых генераторов, установленных на летательных аппаратах 21, 22, и высоковольтного электрического разряда, формируемого от высоковольтного вспомогательного трансформатора Тесла, установленного на летательных аппаратах 21, 22.
Проводящие каналы 23 формируют методом фотоионизации воздуха с помощью лазеров или микроволнового излучения и высоковольтного электрического разряда в проводящем канале 23 от высоковольтного трансформатора Тесла, установленного на Земле 19 рядом с источником энергии 20 аналогично показанному на рис.
1.40 и 1.41.
На рис. 1.43 летательные аппараты 25, 26 в атмосфере и приемники энергии 27, 28 на Земле 19 получают энергию от летательных аппаратов 29, 30 в атмосфере с помощью проводящих каналов 31, сформированных между летательными аппаратами 25, 26, 29 и 30 и проводящими слоями в ионосфере 18. Приемники энергии 27, 28 на Земле 19 соединены с проводящими слоями 18 в ионосфере проводящими каналами 32, сформированными с Земли. Летательный аппарат 33 передает энергию по проводящему каналу 34 непосредственно к потребителю энергии 35, расположенному на Земле 19.
Летательные аппараты 30 и 25 также передают энергию непосредственно другим летательным аппаратам 36 и 37 по проводящим каналам 38 и 39. Формирование проводящих каналов происходит путем фотоионизации воздуха и с помощью лазеров и высоковольтных электрических разрядов в канале от высоковольтных трансформаторов Тесла аналогично способу и устройству, показанному на рис. 1.40, 1.41 и 1.42.
НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ НАЗАД
Введение в теорию электромагнитной индукции
Цель: дать понятие о явлении
электромагнитной индукции, его закономерностях
и причинах, вызывающих данное явление.
Задачи:
- расширить знания учащихся о магнитных и электрических полях, ознакомив их с новым вихревым электрическим полем и фундаментальным свойством этих полей – взаимной пораждаемостью вихревого магнитного и вихревого электрического поля;
- развивать научный взгляд на природу физических явлений, убеждая учащихся в объективности законов реального мира и их познаваемости;
- развивать физическую логику, выяснять причинно-следственные связи при решении расчетных и логических задач;
- обеспечить наглядность физического эксперимента, учить наблюдательности.
Для реализации этих задач я тщательно
поэлементно продумываю все части урока, так как
планирование каждого занятия – это сложный в
творческом отношении этап в работе каждого
учителя, требующий от него профессиональных
знаний, мастерства и учительской интуиции
одновременно.
Вовлечь всех ребят в работу по узнаванию нового, поддерживать их активность в течение всего урока позволяет метод создания проблемных ситуаций и творческий поиск ответов на поставленные задачи. При этом на каждом уроке должна создаваться атмосфера теплоты и доброжелательности между учителем и ребятами. Ведь надо вместе решать проблемы! Состояние эмоционального настроения, увлеченность, взволнованность учителя и учащихся должны насыщать весь процесс познания.
Высокий темп урока мне удается обеспечивать комментированным управлением творческого процесса. Комментированное управление – это выработка навыка: наблюдаю – мыслю – рассуждаю – делаю выводы.
Комментированное управление состоит:
- из коллективного исполнения, когда под руководством учителя сами учащиеся мобилизуют свои силы, выясняют причинно-следственные связи явления, делают выводы и строят опорные логические цепочки;
- из обратной связи – коллективного
воспроизведения: применения логических цепочек
при поиске ответов на поставленные задачи, при
закреплении нового материала.
Логические цепочки позволяют учить детей мыслить вслух, опираясь на опорно-логические схемы. Это способствует повышению уровня речевой культуры и сильных, и слабых учащихся, помогают свободно и логично излагать физический материал (тренировка монологической речи).
Приведу примеры составления и использования опорно-логических цепочек при введении понятия электромагнитной индукции и изучении закономерностей этого явления в 11-м классе.
Первое, что необходимо сделать учителю – вызвать живой интерес к изучению нового материала. Использую для этого катушку Томсона с принадлежностями: проводящий контур из нескольких витков медной проволоки, замкнутый на электрическую лампочку (3,5В – 4,5В), закрепленный на деревянной панельке, и набор толстых сплошных колец из меди и алюминия, свободно надеваемых на железный сердечник катушки.
Наблюдение 1. Прошу учеников внимательно
наблюдать опыт и по-возможности его объяснить.
Свои действия за демонстрационным столом я
подробно комментирую: подключаю катушку Томсона
к источнику переменного напряжения (220В), подношу
проводящий контур с маленькой электрической
лампочкой к сердечнику катушки Томсона и
осторожно надеваю его на сердечник. Лампочка
загорается, то ярче, то слабее, когда контур
перемещается вдоль сердечника. Это наблюдение
вызывает удивление всех учащихся. Возникает
проблема: “Почему загорается лампочка, надетая
на сердечник?”. Что является причиной
возникновения электрического тока в замкнутом
контуре? Чтобы закрепить интерес к новой теме, я
провожу 2-е наблюдение: надеваю несколько
колец на сердечник. Они под тяжестью падают вниз.
Подключаю катушку Томсона к напряжению (~220В).
Учащиеся восторженно удивлены: кольца взлетают
вверх вдоль сердечника и “парят” в воздухе. Я
несколько затягиваю опыт с парением колец. При
отключении тока кольца падают вниз.
Далее ученик,
пожелающий мне помочь освободить сердечник от
колец, неожиданно бросает их и говорит, что они
сильно нагреты и обжигают руки. Это еще больше
удивляет их. Я кратко комментирую опыт. Все, что
сейчас наблюдали ученики (свечение лампочки
проводящего контура и нагревание сплошных колец)
– это проявление явления электромагнитной
индукции в разных вариантах, которые широко
используются в технике, в частности, для плавки
металлов в вакууме и производства
электроэнергии. А ведь электроэнергетика – это
основа промышленного производства и экономики
любой страны. Оно проникло во все стороны
человеческой деятельности, и, сегодня делает
нашу жизнь такой комфортной.
Итак, задача нашего урока следующая: выяснить
причину возникновения электромагнитной
индукции и ее закономерности. Возвращаемся к
опыту №1 и попытаемся его объяснить: Почему
загорается лампочка? Почему нагреваются кольца?
Слушаю разные мнения учащихся.
Но для того, чтобы
был сформулирован верный ответ, надо с большой
тщательностью повторить отдельные вопросы
электродинамики 10 класса, учитывая то
обстоятельство, что юноши и девушки легко
забывают прошлогодний материал. Для быстрого и
осмысленного повторения я применяю транспаранты
к графопроектору (или в бумажном исполнении на
доске). Подключаю весь класс к репродуктивному
мышлению, ставя и решая одну задачу за другой, не
снижая темпа.
С помощью транспаранта №1 учащиеся в процессе беседы воспроизводят в памяти необходимые знания: условия возникновения тока в замкнутой цепи.
1. Ток в замкнутой электрической цепи возникает тогда, когда в цепи действуют сторонние силы. Они работают в источнике, разделяют заряды и накапливают их на полюсах, обеспечивая постоянную разность потенциалов на полюсах источника тока. А значит во внешней цепи, подключенной к зажимам источника тока, создается электрическое поле, которое перемещает заряд q от к
2.
Мерой работы сторонних сил в источнике тока
является Э.Д.С. источник тока.
3. Величина тока I в замкнутой цепи определяется по закону Ома:
4. Если же внешнюю цепь разомкнуть, то на концах разомкнутой цепи будет разность потенциалов, численно равная ЭДС источника.
Повторив эти положения, возвращаемся к опыту №1, ученики из активной беседы формулируют (путем отбора предложений) вывод:
Чтобы в замкнутой цепи возник ток, в ней должны действовать сторонние силы (правило №1).
Вопрос: Какова природа сторонних сил в этом опыте? Что работает внутри контура и зажигает лампочку? Какие сторонние силы могут привести свободные заряженные частицы в проводнике в направленное движение?
Идет отбор предложений. Кто-то из учащихся
предлагает, что сторонними силами может быть
магнитное поле сердечника.
“Оно приводит в
движение свободные заряженные частицы в
контуре”. Но другие учащиеся высказываются
отрицательно, так как знают из предыдущей темы
правило: магнитное поле действует только на
движущиеся заряды, поэтому магнитное поле
сердечника не может их привести в движение. И
только сейчас ученики понимают, что неподвижные
заряженные частицы в проводящем контуре может
привести в движение только электрическое
поле. Да! Оно действует в плоскости контура! Оно
направленно горизонтально, перпендикулярно
магнитным силовым линиям сердечника! Но откуда
оно взялось? Новая проблема!
Чтобы ученики дали правильный ответ, я предлагаю наблюдать следующий опыт: подключаю ту же катушку Томсона к источнику постоянного тока. Вношу в магнитное поле сердечника проводящий контур. Лампочка не зажигается, тока в контуре нет! А в опыте №1 ток в проводящем контуре есть! Почему? Новая проблема.
Прошу учащихся сравнить магнитные поля в
пространстве вокруг сердечника и сформулировать
ответ на вопрос.
Он однозначен: только переменное
магнитное поле могло создать вокруг себя
переменное электрическое поле, которое
действует в плоскости контура, перпендикулярно
линиям индукции магнитного поля катушки и
сердечника, и создает электрический ток в
контуре. В этом учащиеся убеждаются на опыте при
изменении плоскости ориентации контура
относительно магнитопровода катушки с
переменным током.
Продолжаем рассуждать используя транспарант
№2. Это новый вид электрического поля: оно вихревое,
его силовые линии в отличие от
электрического поля замкнуты. Оно не связано
с зарядами. Оно порождается переменным
магнитным вихревым полем и его всегда можно
обнаружить в пространстве вокруг переменного
магнитного поля с помощью замкнутого
проводящего контура. В этом еще раз убеждаются
учащиеся, наблюдая за другим традиционным опытом
с дроссельной катушкой, замкнутой на
гальванометр, и постоянным магнитом.
На вопрос: “Что работает в проводящем контуре?” или “Что является причиной возникновения электрического тока в проводящем контуре, помещенном в переменное магнитное поле?”, учащиеся сознательно отвечают: “Работают сторонние силы в виде вихревого поля. Эта работа измеряется ЭДС, действующей вдоль контура и создающей в контуре электрический ток, величина которого прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению контура по закону Ома:
Установив причину возникновения тока в контуре, вместе с классом строим рисунок и составляем логическую цепочку процесса возникновения электромагнитной индукции. Процесс построения комментируется учителем и вырастает на “глазах” ребят.
R – это сопротивление проводящего контура [Ом].
S – площадь, ограниченная проводящим
контуром [м2].
N – число витков в проводящем контуре.
~Фвнеш.S – переменный внешний магнитный поток, пронизывающий контур площадью S.
Эта цепочка раскрывает причинно-следственные связи явления. Пользуясь ею, учащиеся сознательно объясняют явление электромагнитной индукции. Цепочку можно читать слева направо, справа налево, или с середины, как захотят ребята.
Составляем правило вслух, сопровождая слова движением указки. Пробуем читать логическую цепочку слева направо.
- Явление, при котором переменный внешний магнитный поток, пронизывающий проводящий контур, наводит в нем ЭДС индукции, которая в замкнутом контуре создает индукционный ток, а в разомкнутом контуре индукционную разность потенциалов, численно равную ЭДС индукции.
- Справа налево читается так: Явление
возникновения индукционного тока в замкнутом
контуре под действием , возникающей в контуре при изменении
внешнего магнитного потока, пронизывающего
данный контур.
- Явлением электромагнитной индукции (Э.М.И.) называется явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре под действием переменного внешнего магнитного потока, пронизывающего данный контур, в результате чего в замкнутом контуре возникает индукционный ток , а в разомкнутом контуре – индукционная разность потенциалов, численно равная ЭДС индукции
Далее, эту цепочку дополняем знаниями, добытыми из серии опытов с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, с разным числом витков, с разной скоростью движения магнита, объясняющей от чего зависит величина ЭДС индукции. Формулируем закон Фарадея, введя понятие скорости изменения магнитного потока. Дописываем цепочку. В конечном виде она выглядит так, как изображено на транспаранте №3.
Теперь следующая задача. Используя логическую
цепочку, научить учащихся анализу и алгоритму
решения задач по данной теме.
Не мешает
повторение сведений по магнитному потоку,
используя готовый транспарант №4.
Пример решения расчетно-логической задачи с постановкой вопросов, следующих друг за другом.
В проводящем контуре сопротивлением R=5.Ом изменяется магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, так, как показано на графике зависимости Ф от t. Ответить на вопросы:
- В какие промежутки времени в проводящем контуре возникает ЭДС индукции? Объяснить.
- В какие промежутки времени ЭДС индукции будет максимальной? Объяснить и рассчитать.
- Построить график зависимости ЭДС индукции от времени в соответствии с графиком зависимости Ф от t. Что означает знак (-) (Ответ: направление индукционного тока).
- В какие моменты времени в пространстве, окружающим проводящий контур, возникнет вихревое поле?
- В какие моменты времени в проводящем контуре
возникает индукционный ток? Как его можно
рассчитать (Ответ: по закону Ома).
- Как бы вы рассчитали напряженность вихревого электрического поля в проводнике. (Ответ: Е=
В расчетных задачах я требую, чтобы учащиеся выполняли анализ условия по алгоритму в такой последовательности:
Анализ:
- Явление электромагнитной индукции: ~
- По закону Фарадея:
- или
- q – заряд, протекающий в контуре за время t:
- Eвихр.эл.п.
В виде расчетной задачи можно предложить следующую:
Плоская рамка площадью 0,1м2, ограниченная
проводящим контуром с сопротивлением 5.Ом,
находится в магнитном поле, индукция которого за
время t изменяется от
2Тл до -2Тл. Какой заряд протечет по контуру за
время t, если вектор
индукции перпендикулярен плоскости рамки.
Методом указанного анализа учащиеся легко получают расчетную формулу для заряда:
Вызывают затруднение у ребят логические задачи.
Пример 1. На транспаранте изображено неоднородное магнитное поле с силовыми линиями, идущими из плоскости листа. Две одинаковые проволочные рамки движутся с одинаковыми скоростями в разных направлениях. В каком случае возникнет ток в рамке? Можно дать ответ на выбор:
- только в I рамке
- только во II рамке
- в обоих рамках
- ни в одной рамке
Многие учащиеся выбирают ошибочный ответ 3), упуская из логической цепочки главное: изменение магнитного потока ?Фsс течением времени, а это происходит только в I рамке. Верный ответ 1).
Допускают ошибки в логических задачах в тех
случаях, когда необходимо представить изменение
магнитного потока при поворотах рамки в
однородном магнитном поле.
Пример 2. Одна и та же рамка вращается в одном и том же однородном магнитном поле вокруг вертикальной оси (I случай), в другом случае вокруг горизонтальной оси (II случай), с одинаковой частотой. В какой из них возникнет индукционный ток? Одинакова ли будет в рамках?
Ученики делают ошибки, так как не могут оценить изменение магнитного потока при повороте рамки. Надо им помочь представить, как изменяется число силовых линий (условно), проходящих через площадь рамки (к примеру: 100 силовых линий через площадь рамки – это соответствует Фs max, то при повороте рамки их число уменьшается, следовательно и Фs тоже уменьшается, и т.д. ). Ответ: только в I рамке.
Пример 3. В однородном магнитном поле вокруг оси ОО1 с одинаковой частотой вращаются две рамки. Возникнет ли в обоих рамках? В какой из них возникнет большая ЭДС?
Учащиеся, отвечая на вопрос, используя
логическую цепочку, сравнивая изменение
магнитного потока при повороте на одинаковые
углы, должны использовать формулу и и , так как , S1=S2, и углы при повороте изменяются
одинаково.
Подводя итоги, анализируя ошибки, еще раз напоминаем ученикам, что главное в явлении электромагнитной индукции является левая часть логической цепочки, проявляющаяся в законе Фарадея в виде выражения: . А знак минус в формуле Фарадея, определяет направление индукционного тока. Знать это правило необходимо потому, что знак (-) – это проявление закона природы и его надо не только видеть, читать, но и понимать, так как без знания правила Ленца человек не смог бы создать индукционные генераторы электрической энергии – основу энергетики, ни трансформаторов, ни электродвигателей.
Понять правило Ленца и научиться применять его на практике – задача следующих уроков.
Приложение 1
CircuitWorks® Conductive Pens, Silver Trace, Circuit Pens
CircuitWorks® Conductive Pens, Silver Trace, Circuit Pens | Хемтроника11
- Особенности и преимущества
- Дополнительная информация
- Запросить образец
Запросить образец
Ваш запрос образца
Токопроводящие ручки CircuitWorks
*=обязательное поле
TDS
- CW2900_English TDS
- CW2000_English TDS
- CW2200-CW2205_English TDS
REGS
- Политика в отношении конфликтных минералов
- Заявление ЕС о СОЗ
- Заявление TSCA PBT
- Заявление REACH ЕС
- Заявление RoHS2/3 ЕС
Паспорт безопасности
- CW2200_CA — английский язык Паспорт безопасности
- CW2200_CA — французский паспорт безопасности
- CW2200_MX Паспорт безопасности данных
- CW2200_US SDS
- CW2900_CA — паспорт безопасности на английском языке
- CW2900_CA — французский паспорт безопасности
- CW2900_MX Паспорт безопасности данных
- CW2900_US SDS
- CW2000_CA — паспорт безопасности на английском языке
- CW2000_CA — французский паспорт безопасности
- CW2000_MX Паспорт безопасности данных
- CW2000_US SDS
CircuitWorks ® Проводящие перья создают мгновенные высокопроводящие серебряные дорожки на печатных платах и используются в прототипах, доработке и ремонте печатных плат путем соединения компонентов, ремонта дефектных дорожек, создания гладких перемычек. Серебряные дорожки схемной ручки высыхают за считанные минуты и обладают отличной адгезией к большинству электронных материалов. Инженеры, специалисты по ремонту и производители обнаружат, что CircuitWorks ® Проводящая ручка для цепей ускоряет завершение проекта и сокращает время доработки.
Проводящие ручки CircuitWorks доступны с тремя типами чернил:
- Серебряная проводящая ручка (CW2200STP, CW2200MTP) — Высокопроводящая и наиболее популярная опция. Доступен со стандартным наконечником (CW2200STP) или микронаконечником (CW2200MTP).
Проводимость — 0,02-0,05 Ом/кв.м/мил - Проводящая ручка Silver Flex (CW2900) — также на основе серебра и предназначена для гибких печатных плат. Доступно только со стандартным наконечником.
Проводимость — 0,05-0,15 Ом/кв.м/мил - Никелевый токопроводящий карандаш (CW2000) — более дешевые чернила на основе никеля. Доступно только со стандартным наконечником.
Проводимость — 1,0–1,5 Ом/кв.м/мил
Особенности и преимущества
- Быстро создает токопроводящие серебряные дорожки
- Наконечник ручки-клапана для легкого применения
- Паяется при низких температурах
- Превосходная электропроводность
- Высыхает за несколько минут при комнатной температуре
- Выбор микронасадки (MTP) для тонких линий или стандартной насадки (STP) для более широких линий
Применение
- Ремонт следов
- Соединительные компоненты
- Сглаживание перемычек 2
- Экранирование электроники 9000 Кнопка в корзину
Деталь № Размер шт. в упаковке Цена за коробку Добавить в корзину Серебряный проводящий карандаш — Наконечник Mirco, ручка 8,5 г (0,3 унции)
12 ручек $693,84 Серебряный проводящий карандаш — Стандартный наконечник, ручка 8,5 г (0,3 унции)
12 ручек $693,84 Проводящая ручка Flex — ручка 8,5 г (0,3 унции)
12 ручек $749,04 Никелевый проводящий карандаш — карандаш 9 г (0,32 унции)
12 ручек 184,56 доллара США Заказ у авторизованного дистрибьютора
Наш веб-сайт использует файлы cookie.
Чтобы узнать больше или отозвать свое согласие на использование всех или некоторых файлов cookie, ознакомьтесь с политикой использования файлов cookie. Нажимая «ОК», закрывая этот баннер, нажимая на ссылку или продолжая просмотр, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.Политика конфиденциальности
Ручка с проводящими чернилами Circuit Scribe — Cool Components
by Electroninks
Артикул 1780
3 отзыва
Ошибка Save Liquid (фрагменты/значок продукта, строка 32): результат вычислений — «-Infinity»%
9,98 фунтов стерлингов включая НДС
Поделись этим:
£8,32 без НДС- ОПИСАНИЕ
- РЕСУРСЫ
Это ручка-роллер, которая пишет токопроводящими серебряными чернилами.
Это делает создание схем таким же простым, как рисование.Вы можете использовать ручку Circuit Scribe, чтобы рисовать линии на любом простом листе бумаги, а затем прикреплять специальные электрические компоненты (модули Circuit Scribe) к нарисованным линиям, которые позволяют электрическому току проходить через компоненты. Это заменяет использование макетов и проводов.
Используйте его на любой поверхности, на которой может писать ручка-роллер. Перо Circuit Scribe может рисовать на 60-200 метров в зависимости от поверхности и скорости письма. На впитывающих поверхностях, похожих на салфетку, видно 60 метров, а на фотобумаге — более 200 метров. У фотобумаги есть и другие преимущества: вы можете стереть чернила, соскребая след, и вы также получите самую высокую проводимость на этой поверхности (<2 Ом/см). Пайка к чернилам возможна, но сложна, и во многом зависит от типа бумаги/поверхности и типа припоя.
Каждая ручка Circuit Scribe заполняется вручную нетоксичными серебряными чернилами на водной основе.
Чернила хватает примерно на 196-260 футов линий, прежде чем они высохнут. Время жизни линий трассировки все еще определяется; однако, согласно Eletroniks Incorporated, линии трассировки, проведенные три года назад, все еще функционируют.Часто задаваемые вопросы
———————————————
Какова проводимость Circuit Scribe?
От 0,5 до 10 Ом на см, но зависит от типа поверхности, на которой вы пишете. Мы видим около 3 Ом на см на стандартной копировальной бумаге и 0,5 Ом на см на фотобумаге. Лучшим типом бумаги является Epson Ultra Premium Lustre Photo Paper, которая позволяет Circuit Scribe очень быстро сохнуть, имеет самую высокую проводимость и позволяет стирать следы.
В чем разница между Circuit Scribe и Pencil #2?
Электропроводка НАМНОГО лучше! Вы не могли бы получить достаточно энергии через графитовые дорожки для питания Bi-LED или двигателя.
Мы измерили сопротивление карандашных дорожек на уровне 5-8 МОм при однократном проходе и 30-60 кОм при многократных нажатиях и строчках.Моя ручка не выглядит заполненной, выглядит так, будто она протекла, или просто выглядит странно.
Ручка с токопроводящими чернилами очень особенная, так как содержит около 20% чистого серебра и поэтому ведет себя совсем иначе, чем обычная ручка-роллер. Тяжелые частицы серебра, как правило, оседают на дно ручки после более чем 24-часового хранения, но легко диспергируются при легком встряхивании, использовании в течение нескольких минут или простом ношении в кармане.
Очень часто бывает так, что при установке уровень чернил составляет только 1/5, но ручки поставляются с 1,0 мл чернил. Индикатор уровня чернил представляет собой белый шарик, который начинается прямо перед первой буквой «е» в электронных чернилах. Прозрачная матричная жидкость почти соответствует индексу пластика, поэтому может показаться, что в ручке просто воздух, а не жидкость.
Если у вас есть какие-либо сомнения относительно уровня чернил, оседания или состояния пера, отправьте нам фотографию на адрес [email protected], и мы с радостью продиагностируем проблему.
Как выглядит срок годности?
Неоткрытая авторучка имеет срок годности около года. После того, как ручка открыта, она будет писать ровно в течение как минимум 6 месяцев, после чего она может немного подсохнуть, но вы можете намочить кончик ручки, чтобы чернила снова текли.
Как долго проводящие дорожки?
Три года назад мы нарисовали следы, которые работают и сегодня.
Сколько я могу рисовать ручкой?
Вы можете рисовать от 60 до 80 метров (19от 6 до 260 футов) трасс с помощью одного пера.
Вы продаете заправки?
Нет, не сейчас! Стоимость производства пера в основном состоит из проводящих чернил, поэтому пластиковые корпуса практически одноразовые. Мы планируем выпускать наши чернила в различных формах для потребителей — маркеры, флаконы — в далеком будущем.
Какую бумагу можно использовать? Могу ли я писать дальше?
Circuit Scribe напишет на чем угодно, что и ваша обычная ручка-роллер. Обычная бумага для принтера, плотная бумага, картон и фотобумага — все это подойдет, но поэкспериментируйте с разными материалами! Для функционального использования лучше всего подходит фотобумага, поскольку чернила способны образовывать непрерывную пленку на гладкой поверхности.
Какой максимальный ток?
Чернила могут поддерживать максимальный ток около 175 мА на стандартной копировальной бумаге. Более высокие токи вызывают джоулев нагрев и последующее падение сопротивления из-за спекания частиц (снижение сопротивления примерно до 8 раз при контроле). Токи, превышающие 400 мА, могут сломать дорожку на стандартной копировальной бумаге. С фотобумагой можно получить большие токи, около 800 мА.
Какое максимальное напряжение?
Максимальное напряжение зависит от расстояния между землей и трассой высокого напряжения (ВН).
Вы также должны учитывать расстояние от магнитной подложки до бумаги (т.е. держать ее хорошо изолированной с помощью нескольких листов бумаги). Мы не рекомендуем использовать высокое напряжение (выше 36 В) из соображений безопасности.- Модули записи цепей
- Как напечатать бумагу Arduino
Консультация для компании по производству проводящих печатных плат — Деятельность
Quick Look
Уровень: 7 (6-8)
Необходимое время: 45 минут
(три дополнительных расширения, требующих количественных измерений, и две задачи инженерного проектирования добавляют 30 минут, 45 минут и 50 минут соответственно.)
Расходные материалы Стоимость/группа: 5,00 долл. США
Размер группы: 4
Зависимость от деятельности: Нет
Тематические области: Измерение, физика, наука и техника
Ожидаемые характеристики NGSS:
MS-ETS1-4 Доля:
TE Информационный бюллетень
Краткое содержание
Студенты участвуют в качестве инженеров-консультантов в фирме «Conductive Circuit Card Company» для разработки и изготовления прототипа поздравительной открытки с использованием проводящих красок. Эта компания изготовила карты светодиодной подсветки, используя медную ленту для своих цепей, но компания определила, что наклеивание ленты занимает слишком много времени. В связи с переходом отрасли на печатные схемы компания приобрела гибкую печатную машину для электроники. Студент реконструирует карту с медной лентой, анализируя, как построить элементы ее схемы. Они проектируют и создают новый элемент схемы, используя трафареты и токопроводящую краску.Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).
Инженерное подключение
Студенты-консультанты в этом упражнении испытывают вкус этого производственного процесса, анализируя, как создается электрическая цепь, а затем распечатывают и тестируют свою собственную схему, используя проводящие краски на гибкой подложке (бумаге). Студенты участвуют в процессе инженерного проектирования, следуя набору параметров и изучая, как построить схему и продукт в соответствии с этими параметрами.
Цели обучения
После этого задания учащиеся должны уметь:
- Объясните, как работают различные элементы простой схемы светодиодов.
- Объясните схему.
- Соберите плату светодиодных индикаторов и устраните неполадки.
Образовательные стандарты
Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.
Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).
В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр.
, естественные науки или математика;
внутри типа по подтипу, затем по классу, и т.д. .NGSS: научные стандарты следующего поколения — наука
Ожидаемая производительность NGSS МС-ETS1-4. Разработайте модель для генерации данных для итеративного тестирования и модификации предлагаемого объекта, инструмента или процесса, чтобы можно было достичь оптимального дизайна. (6-8 классы)
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS: Научная и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Концепции поперечной резки Разработайте модель для генерации данных для проверки идей о разработанных системах, включая те, которые представляют входы и выходы. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Модели всех видов важны для тестирования решений. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Итеративный процесс тестирования наиболее перспективных решений и модификации того, что предлагается на основе результатов тестирования, приводит к большей доработке и, в конечном итоге, к оптимальному решению.Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технология
- Студенты будут развивать понимание характеристик и области применения технологии.
(Оценки
К —
12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
- Студенты будут развивать понимание атрибутов дизайна. (Оценки
К —
12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
- Студенты будут развивать понимание инженерного проектирования.
(Оценки
К —
12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
ГОСТ
Предложите выравнивание, не указанное вышеКакое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Подписаться
Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!
PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.
Список материалов
Каждый учащийся получает отчет о проводящей краске компании Circuit Card.
Каждой группе необходим заранее изготовленный учителем карточный элемент с медной лентой, который использует:
- 3-вольтовая батарея CR2032
- Светодиод со сквозным отверстием 3 мм, доступен онлайн
- два куска медной ленты ~5 см
- прозрачная лента
- выбор украшений или печатных рисунков для лицевой стороны карты (подробнее о светодиодах и батареях см. ниже)
Каждой группе необходимо:
- кисти для рисования, губчатые кисти или косметические губки токопроводящая краска
- или небольшая емкость с медной краской; токопроводящие и медные краски доступны онлайн
- Емкость для воды (для очистки кистей)
- бумажные полотенца
- прозрачная лента
- предварительно вырезанные трафареты из прозрачных пленок, доступны онлайн
- ручки
Чтобы поделиться со всем классом в таблице ресурсов:
- картон: пустой шаблон, предварительно распечатанный с использованием ваших собственных изображений или изображений из шаблона 1 или шаблона 2 в приложениях и предварительно вырезанный; четыре элемента карты из каждого листа стандартной бумаги для принтера
- ножницы
- товары для творчества, такие как маркеры, наклейки, распечатанные изображения, предварительно вырезанные фигуры, клей, блестки, журнальные страницы, строительная или другая цветная бумага
- (опционально) фен для сушки краски
- (дополнительно) мультиметр(ы) для расширения 1 и для старших школьников, дополнительный картон, краска для тестовых карт сопротивления.
- (дополнительно) дополнительная бумага для расширения 2
- (дополнительно) медная лента, дополнительные светодиоды, батареи и картон для расширения 3, активность с двумя светодиодами
Рабочие листы и вложения
Пустой шаблон (pdf)
Шаблон ошибки (pdf)
Шаблон изображения 1 (pdf)
Шаблон изображения 2 (pdf)
Шаблон трафарета (png)
Презентация гибкой схемы (pptx)
Презентация гибкой схемы(pdf)
Отчет о консультации (docx)
Отчет о консультации (pdf)
Ответы на отчет о консультации (docx)
Ответы на отчет о консультации (pdf)
Проверка знаний и выход за их пределы (docx)
Проверка знаний и выход за их пределы (pdf)
Проверка ваших знаний и выход за рамки ответов (docx)
Проверка знаний и выход за рамки ответов (pdf)
Посетите [www. teachengineering.org/activities/view/unm-2490-conductive-circuit-card-company-activity] для печати или загрузки.Больше учебных программ, подобных этому
Урок средней школы
Статистический анализ гибких цепей
Студенты знакомятся с технологией гибких схем, некоторыми приложениями и процессом изготовления фотолитографии. Перед ними стоит задача определить, приводит ли процесс изготовления к изменению размеров схемы, поскольку по мере того, как схемы становятся все меньше и меньше (наносхемы), это может привести к изменению размеров схемы.0003
Статистический анализ гибких схем
Предварительные знания
Выполнение практического задания Paper Circuits Greeting Cards перед этим заданием полезно, но не обязательно.
Введение/Мотивация
Все знают, как выглядит сотовый телефон: он прямоугольный, жесткий и помещается в карман джинсов. Вы когда-нибудь задумывались, почему он такой формы? Почему телефон должен быть в жестком корпусе? Что, если бы вы могли носить свой телефон? Что, если бы вы могли свернуть его и повесить на запястье, как часы, пока вы на уроке физкультуры, а затем развернуть его, чтобы анализировать результаты тренировки с помощью датчиков сердцебиения и пота? Что, если бы вы могли просмотреть его, чтобы увидеть цены и предложения по аксессуарам, когда вы в магазине покупаете одежду?
В будущем электроника, скорее всего, станет гибкой и удобной для ношения в одежде, татуировках на коже и даже внутри вашего тела. От игр и развлечений, спорта и моды до здоровья и медицины вы увидите поразительные изменения в своей жизни. Сегодня мы собираемся заглянуть в будущее и некоторых творческих исследователей, которые приближают его.
Компании-производители электроники уже знают, что дополненная реальность, виртуальная реальность, искусственный интеллект и всевозможные появляющиеся технологии потребуют больших экранов, а это значит, что они создают схемы и дисплеи, которые можно складывать, растягивать и поддавать деформации.Инженеры сочетают вековые методы печати (такие как глубокая печать, используемая для репродукций изобразительного искусства, журналов и подарочной упаковки) с электронными и другими специальными чернилами, чтобы они могли печатать многие компоненты, которые используются в сотовых телефонах и других устройствах. В этих продуктах используются гибкие пластиковые материалы в так называемом «рулонном производстве», аналогичном тому, что используется при изготовлении пластиковой упаковки.
В этом упражнении вы будете печатать аналогичными токопроводящими красками с использованием трафаретов. Гибким материалом будет бумага, и вы будете делать схему, которая зажигает светодиод. Мы будем использовать процесс инженерного проектирования, чтобы помочь нам направлять наши проекты.
Давайте начнем!Процедура
Фон
Краска
Существует множество образовательных ресурсов для изготовления бумажных схем с использованием медной ленты в упражнении «Поздравительные открытки с бумажными схемами». В общем, токопроводящие краски и чернила можно использовать так же, как и медную ленту, но они, как правило, дороже и немного сложнее в использовании. Токопроводящие краски, изготовленные из углерода, не обладают такой проводимостью, как медь, поэтому цепи должны быть короче. Однако печать токопроводящими красками напоминает способ изготовления схем в реальных исследовательских и промышленных процессах. Этот тип проектного мышления дает студентам возможность экспериментировать с удельным сопротивлением листа в зависимости от ширины и длины линии и думать об углероде как о проводящей среде, что может удивить многих студентов. Веб-сайт краски BareConductive (https://www.
bareconductive.com) предлагает замечательные примеры того, как художники используют эту краску для создания инновационных мультимедийных произведений искусства.Разбавление краски BareConductive водой облегчает ее нанесение. Он также будет сохнуть быстрее и стоит меньше на одного учащегося. Однако он будет менее токопроводящим. Вы также можете найти менее дорогие способы изготовления собственных токопроводящих красок в Интернете.
Трафареты
Так как краски сохнут около 15 минут, а краска размазывается, если снять трафарет до того, как краска высохнет, у каждого ученика должен быть свой набор из двух трафаретов.
Если у вас есть доступ к штампу или станку для лазерной резки, вы можете легко вырезать трафареты для многих учеников. Если у вас нет доступа к такому станку и у вас всего несколько учеников, вы можете попробовать вырезать несколько трафаретов перочинным ножом. (См. рис. 1)
Рисунок 1. Каждый учащийся получит два трафарета, вырезанных из прозрачных материалов.
Они будут прикреплены к внутренней стороне карты чуть ниже отверстия для светодиода и отметки ручкой. Эти трафареты были вырезаны с помощью высекальной машины.авторское право
Авторские права © Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC), 2020 г. Рисунок 2.
Рисунок 2. Если высекальная машина недоступна, учащиеся могут сделать трафареты, используя малярную ленту, наклеенную непосредственно на открытку. Им не нужно копировать круглую батарейную площадку. Квадратное пространство подойдет, если оно обеспечивает максимально возможный контакт краски с батареей.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
Дизайн карты
Элемент карты, поставляемый компанией-производителем карты, представляет собой лицевую часть карты. В самом простом упражнении это все, что учащиеся должны создать с помощью проводящей краски. В дополнении 2 учащимся предлагается сделать полную карточку, которую потребители могут открыть и написать внутри сообщение.
Это означает, что учащиеся должны будут подумать о том, как они будут складывать карточки. Шаблон «Z» — простое решение. Сделайте несколько примеров в качестве подсказок и поместите их в таблицу ресурсов. В расширении 3 учащиеся должны разработать карту с двумя светодиодами. В интересах времени они могут прототипировать эти карты, используя медную ленту.Художественное произведение
Вы можете использовать предоставленную нами иллюстрацию (см. Шаблон 1, Шаблон 2 и Шаблон ошибки) или придумать свой собственный, исходя из интересов ваших учащихся, используя Пустой шаблон. В качестве альтернативы попросите учащихся сделать свои собственные рисунки (примеры показаны на рис. 4). Важно проделать отверстие для светодиода (ручкой) в картоне и отметить положение светодиода на внутренней странице, чтобы концы трафаретов можно было выстроить очень близко к этой точке. (См. рисунки 1 и 3). В некоторых случаях учащиеся могут выбрать место на своей карте для светодиода, который требует, чтобы батарея находилась в верхней части карты в конце.
Рисунок 3. На схеме слева показано отверстие, в котором будет находиться светодиод. На внутренней стороне (правая диаграмма) показано отверстие с обратной стороны, отметка ручкой на противоположной стороне и место, где будут располагаться внутренние части трафаретов. Обратите внимание, что самый верхний край вырезанной части трафарета проходит прямо под отверстием и пометками ручкой.
Перед занятием
- Изготовьте элементы карты из медной ленты в количестве, достаточном как минимум для половины учащихся вашего класса.
Рисунок 4. Выборка элементов карты, сделанная автором. В светодиодных цепях внутри используется медная лента. Когда картон сжимается, загораются светодиоды.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Сложите лист картона пополам.
- Определите место для светодиода и проделайте для него отверстие шариковой ручкой в передней панели.
- Закрыть карту. С внешней стороны сделайте отметку ручкой через отверстие на дальней стороне карты. (показано на рис. 5)
Рис. 5. Внутренняя сторона элемента карты после того, как в крышке было проделано отверстие, и внутренняя правая сторона была отмечена через отверстие ручкой.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Отрежьте два куска медной ленты длиной около 5 см (от 2 до 2,5 дюймов) и аккуратно поместите их ниже отверстия и отметки ручкой внутри карты, как показано на рис. 6.
Рис. 6. Следующим шагом является размещение медной ленты вертикально под отверстием и ручкой на внутренней стороне элемента карты.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Поместите 3-вольтовую батарейку положительной (+) стороной вниз на медную ленту на правой стороне платы и закрепите ее прозрачной лентой. Будьте осторожны, оставляйте открытой как можно большую часть батареи. (показан на рис. 7)
Рис. 7. Положительная сторона батареи приклеена с правой стороны клейкой лентой. Оставьте как можно большую часть батареи открытой.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Закрыть карту.
- Держите светодиод горизонтально так, чтобы длинный провод находился сверху. Полностью вставьте светодиод в отверстие, как показано на рис. 8. Откройте плату.
- Согните короткий светодиодный провод вдоль медной ленты и закрепите прозрачной лентой. Прозрачная лента должна покрывать всю длину светодиодного провода, но не заходить намного дальше. (См. рис. 9)
Рисунок 8. Вставьте светодиод снаружи через отверстие. Выровняйте светодиодные провода таким образом, чтобы более короткий светодиодный провод был ближе к ленте на внутренней левой крышке.
Это будет прикреплено к медной ленте на следующем шаге.Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
Рисунок 9. Полностью приклейте короткий провод светодиода к медной ленте с левой стороны (внутри крышки).
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Отрежьте кусок прозрачной ленты, длина которого примерно равна длине светодиодного провода . Поместите его поверх короткого светодиодного провода , липкой стороной вверх . Затем согните длинный провод поверх него. (показано на рис. 10)
Рис. 10. Фрагмент (слева) фотографии справа показывает длинный провод, сидящий на куске ленты липкой стороной вверх поверх провода с левой стороны непосредственно перед закрытием элемента карты.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Аккуратно закройте карту, убедившись, что длинный провод надежно приклеен к медной ленте на правой стороне карты.
- Проверьте карту, нажав на внешнюю часть над аккумулятором, как показано на рис. 11.
Рисунок 11. При закрытии и нажатии на карту загорается свет!
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
Устранение неполадок:- Для расширения 1 сделайте полную карточку, которую можно открыть, чтобы написать внутри сообщение. Для этого либо а) сложите лист картона в форме буквы «Z» и используйте две передние панели для создания схемы элементов карты с помощью трафаретов и краски (рис. 12а), либо б) согните лист картона пополам и склейте. карточный элемент на переднюю обложку (рис. 12б).
Рис. 12. Два примера карточек, внутри которых есть место для сообщения для расширения 1. Карточка на рис. 12а была сложена втрое в форме буквы «Z» (см. фото, вид сверху), а светодиодная цепь была создана между первые две панели. Карточка на рисунке 12b была создана путем складывания желтой бумаги пополам.
Элемент карты, аналогичный тому, который был сделан в основном упражнении, был обрезан и приклеен к передней части желтой карточки. Была добавлена серебристо-желтая «кнопка», показывающая пользователю, куда нажать, чтобы включить светодиод.Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Подготовьте трафареты, если у вас есть доступ к режущему станку или вы вырезаете вручную. Вырежьте достаточно трафаретов из прозрачного материала, чтобы у каждого ученика было по два трафарета, а затем вырежьте несколько дополнительных. Распылите клей на трафареты и приклейте их на листы ацетата или прозрачные листы, чтобы у вас был набор трафаретов для каждой группы. Трафареты можно использовать несколько раз без повторного нанесения клея. (См. шаблон трафарета ниже.)
- Подготовить художественные принадлежности. Предварительно распечатайте и/или нарежьте любые изображения, которые вы хотели бы предложить своим ученикам. Соберите другие материалы для рисования, чтобы ученики могли создавать свои собственные изображения, такие как наклейки, ручки, карандаши, блестки, клей, предварительно вырезанные изображения, папиросную бумагу, ножницы и журналы для коллажей.
- Подготовьте коробку с материалами для каждой группы учащихся, как указано в разделе материалов. Подготовьте материалы таблицы ресурсов.
Со студентами
- Попросите учащихся сесть в группы и попросите каждого из них выбрать партнера. Скажите им, : «Ваша компания инженеров-консультантов была выбрана компанией Conductive Circuit Card Company для разработки нового типа карт. До сих пор они делали светодиодные поздравительные открытки с использованием медной ленты. (Покажите пример карточного элемента и медной ленты). Однако они обнаружили, что нанесение медной ленты требует слишком много времени и денег. Более того, электронная промышленность стремительно переходит на печать схем на гибких материалах. Итак, они приобрели печатную машину с проводящей краской и хотят, чтобы вы представили новый прототип проводящей краски и отчет».
- Объясните учащимся, что вместе с напарником они сначала аккуратно реконструируют существующий элемент карты и ответят на вопросы в отчете о консультации. Затем учащиеся индивидуально разработают и соберут свой собственный прототип поздравительной открытки, используя материалы на вашем столе и на столе ресурсов.
- Раздайте каждому ученику светодиод и батарейку.
- Попросите класс сначала посмотреть, смогут ли они зажечь светодиод с помощью своей батареи. Не говорите им, как зажечь светодиод, но знайте, что батарея зажата между двумя проводами светодиода, и более длинный провод светодиода лежит вдоль положительной стороны батареи, а короткий провод лежит вдоль отрицательной стороны батареи. . Будем надеяться, что найдется студент, который вставит батарею между двумя светодиодными проводами, но поменяет ориентацию так, что светодиод не загорится.
- Подойдите к этому ученику и скажите классу : «Этот ученик сделал очень важное открытие. Иногда в науке и технике обнаружить, что что-то не работает, так же важно, как найти то, что работает. Этот студент обнаружил, что светодиод не позволяет электричеству течь в одном направлении, чтобы зажечь свет». Скажите своему ученику, чтобы он повернул батарею на 180 градусов, тогда диод позволит течь электричеству. “ Это потому, что светодиод – это диод. Диоды являются фундаментальным устройством в электронике во всем мире. А что излучает этот диод? Что из этого получается? Свет! Вот почему он называется светоизлучающим диодом».
- Спросите учащихся, имеют ли провода, выходящие из их светодиодов, одинаковую длину. (один длиннее). Какой провод должен касаться положительного полюса батареи, чтобы протекал электрический ток? (Более длинная сторона должна касаться положительной стороны батареи).
- Задайте учащимся следующие вопросы: Что заставляет светиться светодиод? (Ответ: электрическая энергия или электричество. ) Откуда это взялось? (Ответ: батарея. Батарея хранит энергию в химической форме. Затем она преобразует эту химическую энергию в электрическую.)
- Попросите учеников положить светодиод и батарею на парту в безопасное место. Они будут использовать их позже.
- Предложите учащимся подготовить отчет о консультации и раздать каждой группе по 1 заранее изготовленной медной карточке.
- В зависимости от уровня вашего класса учащиеся могут либо пройти все этапы самостоятельно, либо с помощью следующих шагов:
- Попросите их нажать на карту, чтобы увидеть, как она включается, и спросить, что мешает карте быть включенной все время. В электронике устройство, препятствующее протеканию тока и включению света, называется 9.0084 переключатель . Спросите учащихся, что означает переключатель на этой карточке? (Ответ: Это очень простая вещь. Жесткость картона не позволяет медному элементу на одной стороне карты соприкасаться с другой стороной карты и замыкать цепь до тех пор, пока вы не нажмете на карту. ) В технике и науке такие простые решения часто высоко ценятся. Простая светодиодная указка или цепочка для ключей могут использовать жесткость самого светодиодного провода в качестве переключателя, который нажимается вверх и вниз. Еще одним важным моментом является то, что инженеры и ученые вкладывают много времени и энергии в Материаловедение , изучение того, как материалы ведут себя механически, электрически и оптически. Даже такие простые материалы, как бумага, играют огромную роль в технике.
- Предложите учащимся осторожно открыть элемент карты, сняв ленту, удерживающую светодиод на правой стороне карты. Вы можете задать открытый вопрос, например: Что вы заметили в том, как составлена карточка, и записать свои наблюдения, нарисовав диаграммы на доске. Идеи, которые вы хотите, чтобы они заметили:
- Положительная сторона батареи находится лицевой стороной вниз на правой стороне карты.
- Длинный светодиодный провод был приклеен к медной ленте, ведущей к положительному полюсу батареи на правой стороне карты.
- Лента, удерживающая батарею, закрывает не всю лицевую сторону батареи, а только очень маленькую часть. Это позволяет большей части батареи быть доступной для прикосновения к меди.
- Короткий светодиодный провод приклеен к медной ленте с левой стороны. Когда карта закрывается, открытая медь на левой стороне карты касается отрицательной стороны батареи.
- Переключатель — это отверстие между левой и правой сторонами карты в нижней части рядом с аккумулятором.
- Провода светодиода полностью обмотаны изолентой (чтобы они не касались друг друга при закрытии карты и коротком замыкании), но остальная медь не обклеена.
- Медные ленты с каждой стороны выстраиваются вместе, особенно лента слева должна касаться батареи, когда карта закрывается, иначе цепь не будет работать.
- На правой стороне имеется отметка ручкой, точно напротив отверстия для светодиода на левой стороне. Это выравнивает медную ленту, где светодиод будет крепиться с правой стороны. Сначала сделайте отверстие для светодиода ручкой, затем закройте карту и используйте ручку, чтобы отметить на противоположной стороне. В полиграфии инженеры используют такие метки для выравнивания. Их зовут регистрационные знаки .
- Попросите учащегося подойти к доске и нарисовать схему карты, нарисовав компоненты любым способом. Попросите ученика связать свой рисунок с физическими частями реальной карты. Затем нарисуйте символы светодиода, батареи и переключателя на плате (показано на рисунке 13). Попросите другого учащегося нарисовать цепь, используя электрические символы, и связать их с физическими частями карточки. (См. рис. 14 и 15)
Рис. 13. Это электронные символы батареи, светодиода и переключателя.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
Как схема связана с физическими частями карты.Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Наконец, покажите учащимся трафареты, с которыми им предстоит работать. Спросите их, почему они думают, что на одном конце есть лампочка? (Ответ: контактная площадка батареи максимально увеличивает количество контактов батареи с проводящей краской, которая не будет такой проводящей, как медная лента). Куда, по их мнению, должна располагаться лампочка трафарета — рядом с отверстием для светодиода или подальше от него? (Ответ: подальше от него). Пусть ученик нарисует, как, по его мнению, он будет размещать трафареты. Очень важно, чтобы при нанесении трафаретов трафареты лежали ровно и гладко, четко были приклеены, чтобы краска не протекала, и чтобы ученики оставляли трафарет до полного высыхания краски, что должно занять около 24 часов. .
- Теперь пришло время ученикам сделать свои карточки. Они могут сделать свои собственные работы на пустой карточке или использовать предварительно распечатанную карточку. На рис. 16 показано несколько примеров пустых карточек, изготовленных из предварительно вырезанных фигур, но учащиеся могут использовать множество других материалов для создания собственных рисунков.
Рис. 16. Дополнительные примеры рисунков с проводящей краской/светодиодами, в некоторых из которых использовалась папиросная бумага, приклеенная к отверстиям, прорезанным в картоне. Формы можно предварительно вырезать с помощью канцелярского ножа. Студенты также могут рисовать, делать коллажи или использовать наклейки для создания произведений искусства.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
- Учащиеся могут смотреть на художественные принадлежности на столе, чтобы составить план, но они не смогут украсить свои карточки, пока краска не высохнет.
- Когда они вернутся за свои столы, напомните им о некоторых их предыдущих наблюдениях, пока они проходят этапы создания карты.
- Попросите их определить местонахождение светодиода, взглянув на внутреннюю часть карты. Ручки предназначены для проделывания отверстий для светодиодов в крышке и регистрационной метки на внутренней правой крышке.
- Напомните учащимся, что лента идет прямо до верхней части светодиода, поэтому внутри трафарета должны выровняться прямо под отверстием для светодиода и отметкой ручкой. Также напомните им, что лампочка выходит из отверстия светодиода и ручкой.
- Учащиеся должны убедиться, что трафареты ровные, нигде не загибаются и плотно прилегают к картону, чтобы краска не просочилась под них.
- Затем учащиеся должны нанести тонкий слой краски по трафарету и оставьте трафарет на , пока краска не высохнет. Это может занять около 15 минут в зависимости от толщины и типа краски. (медная краска сохнет быстрее). Фен ускорит этот процесс.
- Если учащиеся не используют предварительно вырезанные трафареты, они сначала наклеивают на карту малярную ленту, ориентируясь по линиям трафарета (рис. 2). Им не нужно повторять круглую форму аккумуляторной площадки — вполне подойдет и квадратная площадка.
- Пока краска сохнет, продемонстрируйте презентацию «Гибкая схема» о том, как изготавливаются и используются печатные электрические схемы в промышленности и художниками. Вы можете показать столько презентации, сколько у вас есть время. В зависимости от того, как долго вы задерживаетесь на каждом слайде, презентация занимает около 10–15 минут.
- (необязательно) В разделе «Дополнительная мультимедийная поддержка» ниже приведены видеоролики, которые вы можете показать своим ученикам, чтобы заглянуть в будущее и взглянуть на то, что уже происходит в настоящем.
- После того, как краска высохнет, попросите учеников аккуратно вытащить трафареты.
- Сборка карт аналогична описанной выше при изготовлении элементов карты из медной ленты:
- Закрепите батарею на правой — боковой площадке батареи с помощью положительный боковой нижний . Убедитесь, что накрыли только небольшую часть батареи, оставив большую ее часть открытой.
- Держите светодиод в горизонтальном направлении длинным проводом вверху и протяните провода светодиода через отверстие снаружи, оставив светодиодную лампу снаружи.
- Затем согните короткий провод вертикально вниз с левой стороны. Приклейте его скотчем, убедившись, что он покрывает весь светодиодный провод, когда вы приклеиваете его к дорожке краски, но оставьте как можно большую часть остальной дорожки краски открытой.
- Возьмите кусок ленты длиной с длинный светодиодный провод и положите его липкой стороной вверх поверх короткого светодиодного провода.
- Согните к нему длинный светодиодный провод по центру посередине.
- Аккуратно закройте карту.
- Проверить карту. (См. раздел «Устранение неполадок» ниже.)
- В оставшееся время учащиеся могут украсить свои карточки или взять домашние принадлежности, чтобы закончить работу.
Словарь/Определения
проводимость: мера способности материала проводить электрический ток.
ток (I): поток электрического заряда через среду; или количество электронов, которые текут в единицу времени.
Измеряется в амперах (А) или амперах.диод: электронный компонент с двумя выводами, проводящий ток в основном в одном направлении; он имеет низкое сопротивление в одном направлении и высокое сопротивление в другом.
электрическая цепь: Замкнутая петля, по которой ток электронов или заряженных частиц проходит через проводящее вещество.
LED: Аббревиатура от Light Emitting Diode, полупроводниковый источник света, который излучает свет, когда через него проходит ток.
метрология: наука об измерениях.
Закон Ома: утверждает, что сила тока в проводнике между двумя точками прямо пропорциональна напряжению в этих двух точках.
параллельная цепь: Замкнутая цепь, в которой ток разделяется на два или более пути перед рекомбинацией для замыкания цепи.
прототип: рабочая модель, используемая для проверки концепции дизайна.
сопротивление (R)`: Противодействие протеканию электрического тока.
последовательная цепь: Замкнутая цепь, в которой ток идет по одному пути.
субстрат: основной слой, на котором напечатана схема.
напряжение (В): разница электрических потенциалов между двумя точками.
Оценка
Встроенная оценка деятельности
Отчет о консультации: Учащиеся могут просмотреть отчет о консультации самостоятельно, заполнить его по ходу урока или вы можете назначить его для домашнего задания после занятия, чтобы проверить их понимание.
Помолвка: Наблюдайте за учащимися во время выполнения задания, чтобы убедиться, что каждый из них продвигается вперед и не застревает ни на одном этапе процесса.
Послеоперационная оценка
Проверка знаний и расширение возможностей: Домашнее задание «Проверка знаний и расширение возможностей» предназначено для проверки базовых знаний целей обучения и для того, чтобы учащиеся более глубоко обдумывали свой проект.
Вопросы безопасности
- Учащиеся должны соблюдать меры предосторожности при использовании токопроводящей краски.
Советы по устранению неполадок
Если светодиод не горит, проверьте следующее:
- Оба провода надежно закреплены скотчем на своих следах от краски, и лента полностью покрывает их (чтобы два провода не касались друг друга и не замыкали).
- Лента не покрывает всю поверхность аккумулятора.
- Аккумулятор свежий.
- Батарейные площадки на каждой странице выровнены таким образом, что батарея и окрашенная батарейная площадка соприкасаются, когда карта закрыта.
- Длинный светодиодный провод приклеен к дорожке краски на внутренней правой странице , а положительная сторона батареи обращена вниз.
Расширения деятельности
Обратите внимание, что отчет о консультациях содержит инструкции для этих расширений.
Extension 1. Используя мультиметры, учащиеся измеряют сопротивление «проводов» угольной краски и медной ленты. Затем они вычисляют ток по закону Ома (V=IR), где V — напряжение 3-вольтовой батареи, и сравнивают токи двух карт. Токи являются показателем яркости светодиодов. Учащиеся обнаружат, что угольная краска обладает большей стойкостью и, следовательно, меньшей яркостью. Они также обнаружат, что их показания мультиметра прыгают при измерении краски — их попросят предположить причину этого (неравномерность краски).
Учащиеся старшего возраста могут изучить размерную зависимость угольной краски. Вы можете сделать карты разных линий карбоновой краски по аналогии с заметками на сайте BareConductive: https://cdn.shopify.com/s/files/1/0520/3669/8292/files/ep_application_notes.pdf?v=1655713221, которые сравнивают линии одинаковой длины и разной ширины, и наоборот. Цель состоит в том, чтобы учащиеся обнаружили, что сопротивление увеличивается с увеличением длины следа от краски (электроны должны двигаться дольше; по аналогии с потоком вода сталкивается с большим количеством камней) и уменьшается с увеличением ширины линии (электроны имеют большую площадь, через которую они проходят).
).Расширение 2. Вместо элемента карты вы можете попросить учащихся спроектировать новую карту, которая интегрирует новый элемент цепи с проводящей краской в полноразмерную карту, которую можно открыть, чтобы покупатель мог написать сообщение внутри карты. . Продемонстрируйте с карточкой, которую вы сделали ранее, или с листом бумаги, чтобы передать общую идею, но не делитесь деталями дизайна слишком близко. На рисунках 12a и 12b показаны две идеи дизайна.
Расширение 3. После того, как учащиеся закончат карточку с одним светодиодом, попросите их спроектировать карточку с двумя или даже тремя светодиодами, используя только одну батарею. Они могут использовать медную ленту для прототипирования вместо краски в интересах времени. Хотя это расширение выходит за рамки этого занятия, оно прекрасно подходит для обсуждения параллельных и последовательных цепей. Вы можете позволить им поэкспериментировать самостоятельно или использовать или сделать что-то похожее на рис.
17, чтобы учащиеся сначала исследовали параллельные и последовательные схемы, чтобы увидеть, какая из них дает более яркий свет.Рисунок 17. Пример простого способа для учащихся проверить, будет ли параллельная или последовательная цепь зажигать светодиоды от одной 3-вольтовой батареи. Параллельная конфигурация работает лучше всего, и ее геометрия может подсказать наблюдательному студенту схему платы.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
Масштабирование активности
В младших классах и в ситуациях, когда вы не можете использовать краски, учащиеся могут сделать светодиодную иллюстрацию из монтажной пены, светодиодов, аккумуляторов, клейкой ленты и художественных принадлежностей. Добавьте пряжу и дырокол, чтобы сделать ожерелья.
Для младших школьников используйте светодиоды диаметром 5 мм, которые проталкиваются через пенопласт, непосредственно охватывают батарею и закрепляются куском клейкой ленты (ленту легче оторвать, чем разрезать).
Студенты должны тщательно планировать, если они используют более 1 светодиода, чтобы убедиться, что оба достигают батареи из-за ограничения студентов на одну батарею. В качестве инженерной задачи скажите учащимся, что светодиоды будут работать вечно, а батареи — нет, поэтому они должны изобрести выключатель. (См. рис. 18)Рис. 18. Художественное произведение из пенопласта со светодиодами, сделанное учащимися начальной школы. Светодиоды проталкиваются через пенопласт, крепятся сзади к 3-вольтовой батарее и закрепляются клейкой лентой.
Copyright
Copyright © 2020 Stefi Weisburd, Университет Нью-Мексико (NASCENT ERC)
Дополнительная мультимедийная поддержка
- Видение смарт-экранов будущего в представлении Corning Glass: https://www.youtube.com/watch?v=-NsCyjQWgog
- A Day of Glass 2 (5:58): https://www.youtube.com/watch?v=jZkHpNnXLB0 (это больше ориентировано на детей)
- Стеклянный день 1 (5:32): https://www. youtube.com/watch?v=6Cf7IL_eZ38
- Рекламный ролик Gatorade с татуировкой датчика пота Джона Роджера: https://www.youtube.com/watch?v=XfdX1OrwmIU (совместно с С. Уильямсом, Дж. Татумом, К. Пулишиком, Л. Сандерсом)
- Рекламный ролик Olay с тату-датчиком пота Джона Роджера для измерения pH: https://www.youtube.com/watch?v=f_018IMHSKo
Другая связанная информация
В Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института впервые была проделана большая работа по созданию бумажных схем с использованием медной ленты с проводящим клеем, батарей и светодиодов. (http://highlowtech.org/?p=2505 и https://vimeo.com/40
1). Также см. Exploratorium (https://www.exploratorium.edu/tinkering/projects/paper-circuits и https://www.exploratorium.edu/tinkering/blog/2018/03/27/paper-circuit-cards-video). ) для различных видов светодиодов. Авторские права
© 2020 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2018 Университет Нью-МексикоАвторы
Стефи Вайсбур, менеджер по дошкольному образованию и работе с общественностью, Школа инженерии, Университет Нью-МексикоПрограмма поддержки
NASCENT (Непроизводственные системы для мобильных вычислений и мобильных энергетических технологий) Инженерно-исследовательский центрБлагодарности
Эта работа основана на работе, поддержанной Национальным научным фондом в соответствии с Соглашением о сотрудничестве № EEC-1160494.
Любые мнения, выводы и выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.Автор хотел бы поблагодарить преподавателей Explora за то, что они попробовали это занятие, и доктора Лию Бючли, которая сейчас работает в Университете Нью-Мексико, за ее любезный совет.
Последнее изменение: 11 августа 2022 г.
Градиенты проводимости и литиофильности направляют осаждение лития для смягчения коротких замыканий
Введение
Металлический литий (Li) является привлекательным анодным материалом для батарей на основе лития из-за его чрезвычайно высокой теоретической емкости и низкого электродного потенциала 1,2,3 ,4,5 . Однако неидеальный рост дендритов Li при перезарядке ограничивает его практическое применение 6 . Во время циклов зарядки-разрядки повторяющееся образование литиевых дендритов может вызвать «мертвый литий», который был электрически изолирован межфазной границей твердого электролита (SEI), что снижает кулоновскую эффективность (CE) и полезную емкость.
Еще одна серьезная проблема заключается в том, что проникновение дендритов в сепаратор вызывает короткие замыкания, а в некоторых случаях может привести к возгоранию 7,8,9,10 . Таким образом, для безопасных и надежных литий-металлических анодов 11 следует избегать коротких замыканий, вызванных дендритами.Были изучены различные подходы к подавлению дендритов лития путем модификации органического электролита 12 , разработки твердотельного электролита 13,14 , создания высокомодульных межфазных слоев 15 , предварительного формирования искусственных слоев SEI 16 , подготовки литиофила. подложки 17 и строительные леса Li 18,19 . Эти попытки продемонстрировали очень эффективный прогресс в подавлении дендритов. Тем не менее, короткие замыкания в основном связаны с дендритами на границе раздела анод/сепаратор, а не в нижней части литиевого анода, что указывает на то, что положение литиевых дендритов в трехмерном (3D) пространстве литиевого анода серьезно влияет на безопасность.
литиевых аккумуляторов.Осаждение Li представляет собой процесс реакции, связанный с диффузией. Пятна и скорости осаждения лития в основном определяются параметрами мультифизических полей (концентрация ионов лития, локальные потенциалы, локальный ток и т. д.), которые в конечном итоге могут проявляться в виде трех простых сопротивлений (рис. 1а). Во-первых, это электрическое сопротивление на пути электронов от мест осаждения к токосъемникам ( R e ), распределение которого обычно равномерно из-за хорошей электронной проводимости анода. Во-вторых, сопротивление переносу Li-ion от сепаратора до мест осаждения ( R Li ), который наименьший на границе раздела анод/сепаратор. Третье – сопротивление переносу заряда ( R ct ), которое определяется реакционной активностью границы твердое тело/электролит. Чем меньше R e , R Li и R ct , тем выше вероятность отложения Li.
Рис. 1 Базовая структура аккумуляторов, состоящая из многослойных катодов, сепараторов и анодов, неизбежно приводит к неравномерному распределению полей концентрации и градиентов ионов лития. В частности, высокая концентрация ионов лития, высокий градиент концентрации и высокий поток ионов лития в электролите анода позволяют ионам лития более легко получать доступ к границе раздела анод/сепаратор (низкий уровень R Li ) во время подзарядки. Такие неравномерные поля в тяжелых условиях, таких как высокие скорости и низкие температуры, обычно ускоряют проникновение дендритов в сепаратор и приводят к выходу из строя батареи. К сожалению, традиционные стратегии обычно неэффективны для смягчения таких неравномерных распределений.Режимы роста сверху и снизу вверх и способ изготовления DRS. a Изменение транспортных сопротивлений литий-иона и электронов, а также сопротивления переносу заряда в направлении толщины литиевого анода.
b Вершинно-ростовая мода на границе раздела анод/сепаратор. c Осаждение Li снизу вверх на аноде DRS. d Процесс изготовления ДРСИзображение в полный размер
Преимущественное осаждение металлического лития на границах раздела анод/сепаратор обычно называют режимом «верхнего роста» (рис. 1b), который был выявлен многими эмпирическими наблюдениями и моделирование 20,21,22 . Поскольку эти интерфейсы находятся ближе всего к противоэлектродам, режим роста сверху увеличивает риск коротких замыканий. Чтобы устранить вершину роста, мы должны уменьшить R e , R Li и R ct на потенциально небезопасных интерфейсах. Хотя обычно невозможно обратить вспять тенденцию роста R Li от сепаратора к днищу анода, есть много мест, позволяющих нам настроить R e и R ct . Электрическая пассивация может быть прямым подходом к подавлению роста лития.
Мы предполагаем, что, помимо подавления режима роста сверху, стимулирование роста снизу (рис. 1с) может еще больше снизить вероятность небезопасного образования дендритов. Недавние исследования показали, что Li предпочитает расти на подложках (Au, Pt, Sn, ZnO и т. д.) с низкими перенапряжениями или энергетическими барьерами для зародышеобразования 23,24,25,26 . Таким образом, выборочное нанесение низкобарьерных материалов на дно анодов с трехмерной структурой можно рассматривать как термодинамическую стратегию модификации литиофильности, направленную на удаление отложения лития с поверхности раздела анод/сепаратор. Кинетические факторы, такие как температура и плотность тока, также играют ключевую роль в возникновении коротких замыканий, вызванных дендритами. Из-за пониженной подвижности ионов лития низкие температуры легко вызывают заметный рост дендритов, особенно при высоких скоростях/емкостях, и увеличивают вероятность коротких замыканий 27,28,29,30,31 . Существует растущий спрос на высокую нагрузку и опасения по поводу низких температур и долгой истории циклов. В таких суровых условиях поляризация по толщине может увеличиваться и превышать разницу перенапряжений зародышеобразования между материалами 23,32 . Предпочтение зародышеобразования лития, вызванное использованием литиофильной модификации, может быть недостаточно высоким, чтобы настроить отложение лития. Срочно необходимы исследования в тяжелых условиях для разработки более безопасных конструкций литий-металлических анодов. Следовательно, необходимо значительно увеличить возможность настройки осаждения лития.Здесь мы предлагаем стратегию регулирования отложений, направленную на то, чтобы отвести рост Li от небезопасных поверхностей раздела анод/сепаратор, в частности, с общей точки зрения настройки последовательных сопротивлений локальных пятен в соответствии с мультифизическими распределениями полей. Полученный в результате каркас регулирования осаждения (DRS) может загружать Li до 40 мАч см -2 , что является одним из самых высоких показателей емкости металлических литиевых анодов, о которых сообщалось.
Что еще более важно, анод DRS также демонстрирует отличную циклируемость от комнатной температуры до -15 °C, что позволяет работать в суровых условиях и помогает создавать более безопасные литиевые батареи в нормальных условиях. Сначала мы готовим высокопористый каркас из голого никеля (BNS) с помощью шаблонного электроосаждения и селективного травления (рис. 1d). Верхняя часть каркаса BNS электрически пассивирована покрытием из оксида алюминия, чтобы предотвратить режим верхнего роста, тогда как нижняя часть активируется барьерным слоем Au с низким уровнем зародышеобразования, чтобы направлять покрытие Li (рис. 1c). Аль 2 O 3 Покрытие снижает локальную проводимость в верхней области, формируя градиент проводимости по сравнению с металлическим Ni/Au в нижней части. Из-за почти нулевого барьера зародышеобразования Au на дне служит литиофильным покрытием для формирования градиента литиофильности по сравнению с высокобарьерным покрытием Al 2 O 3 . Полученный анод DRS демонстрирует высокий CE ~ 98,1% для 500 циклов при 3,5 мА·ч см -2 при 2 мАсм -2 . Даже при высокой скорости (10 мАсм -2 ) и очень низкой температуре (-15 ° C), он также показал более высокие CE и лучшую циклируемость, чем литиевые аноды на медной фольге и BNS. Таким образом, мы показали, что наша стратегия эффективна в обходе небезопасного роста дендритов на границе раздела, вызванного внутренней неоднородностью мультифизических полей в обычных структурах штабелируемых батарей, и может способствовать разработке более безопасных литиевых батарей.Результаты
Структурная характеристика DRS
На рис. 2a, b показаны изображения полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) образцов BNS и DRS соответственно. Пористость BNS достигает 90,4%, что обеспечивает большой объем литиевого покрытия. Все поры BNS взаимосвязаны, потому что медный шаблон был отожжен с образованием шейки спекания, что привело к непрерывной сети, как показано на дополнительном рисунке 1.
Рис. 2 Взаимосвязанные поры BNS могут способствовать массопереносу ионов лития. Толщину BNS можно легко настроить, изменив толщину шаблона Cu (см. Дополнительный рисунок 2). На рис. 2c представлено СЭМ-изображение в поперечном сечении типичного DRS толщиной ~ 70 мкм. Как показано на картографических изображениях с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) (рис. 2d), Al и Au были локально распределены в верхней и нижней областях никелевого каркаса соответственно. Это свидетельствует об успешном изготовлении DRS.Характеристика BNS и DRS с помощью СЭМ и оптической микроскопии. СЭМ-изображения верхней поверхности a BNS и b DRS, а также c поперечного сечения DRS. d График ЭДС и элементное картирование Al, Au и Ni в поперечном сечении ДРС. e − l Схематическая иллюстрация и СЭМ-изображения поперечного сечения процесса литий-осаждения: напыление снизу вверх в DRS с производительностью e 3, f − h 5 и i 8 мА·ч см −2 соответственно (желтыми пунктирными линиями обозначены края областей осаждения Li).
j − l Поверхностное покрытие в БНС емкостью приблизительно 3 мАч см −2 . м Оптическая микроскопия изображения поперечного сечения DRS, которые показывают процесс Li-осаждения с течением времени (красная стрелка указывает направление роста Li). Фотографии n BNS и o DRS соответственно до и после покрытия литием. p Изображения элементного картирования СЭМ и ЭДС DRS с литий-покрытием, обработанного раствором CuCl 2 в диметоксиэтане. Масштабные линейки: ( a , c , e , f , i , j , p ), 25 мкм; ( b , g , h , k , l ), 5 мкмПолноразмерное изображение
конфигурация ячейки, показанная на дополнительном рисунке 3). На рис. 2e−i показаны изображения SEM в поперечном сечении литий-покрытых электродов DRS с различной емкостью (3, 5 и 8 мАч см 9 ).0075 −2 ), а также соответствующие схематические изображения литиевого покрытия снизу вверх. Внимательно изучив изображение поперечного сечения при самой низкой емкости (рис. 2e), можно увидеть, что дно электрода DRS было почти полностью покрыто твердым литием. Однако верхняя область оставалась пористой. По мере увеличения емкости (рис. 2f-i) Li постепенно заполнил поры, что указывает на режим покрытия снизу вверх. Голая поверхность сверху (рис. 2g) и твердый литий внизу (рис. 2h) указывают на то, что Li преимущественно наносился в нижней части, где был нанесен слой золота. При увеличении емкости до 12,5 мАч см -2 , DRS был полностью заполнен металлическим литием (дополнительный рисунок 4). Напротив, BNS демонстрирует принципиально иной механизм литиевого покрытия. Как показано на рис. 2к, верхняя часть БНС была преимущественно осаждена литием, а нижняя часть БНС оставалась инертной (рис. 2к, м). СЭМ-изображения сверху на дополнительном рисунке 5 дополнительно подтверждают рост сверху для BNS и режим снизу вверх для DRS, которые сохранялись при циклировании, как показано на дополнительном рисунке 6. Для типичного электрода из медной фольги литиевые дендриты были нанесены на верхнюю часть медной фольги (дополнительный рис. 7). В отличие от Cu-фольги и BNS, DRS продемонстрировал отложение Li, направленное в сторону от границы раздела анод/сепаратор.Чтобы визуализировать восходящее покрытие более наглядно, мы использовали оптический микроскоп для визуализации процесса покрытия. На рис. 2m показано, что металл Li серебристо-серого цвета постепенно напылялся снизу вверх. На рис. 2n, o показаны оптические фотографии верхней и нижней поверхностей литий-покрытых БНС и ДРС емкостью ~5 мАч см −2 (верхняя поверхность указывает на сторону, которая касается сепаратора). Эти изображения согласуются с результатами СЭМ, демонстрируя, что DRS преимущественно индуцирует отложение Li снизу вверх, поскольку слой Au снижает барьер зародышеобразования. Напротив, Li был нанесен в верхней части BNS из-за поляризации концентрации ионов Li. Чтобы подтвердить, что материал с покрытием представляет собой литий, и проверить его точное местоположение, мы пропитали DRS с литий-покрытием в CuCl 9 .
1140 2 -содержащий раствор диметоксиэтана для замены Li на Cu (см. реакцию Li и CuCl 2 на дополнительном рисунке 8), потому что Cu легче картировать с использованием технологии EDX, чем Li 33 . На рис. 2p показано, что Cu наблюдалась только в нижней области, что подтверждает, что твердая фаза, заполняющая нижние поры, представляла собой металлический Li, который находился в областях, покрытых золотом.Кулоновский КПД
Мы измерили электрохимические свойства DRS с литий-покрытием, а также BNS с литий-покрытием и медной фольгой для сравнения (рис. 3). Li помещали в каждую ячейку емкостью от 1 до 7,5 мАч см 9 .0075 −2 при различных плотностях тока. Эти циклические испытания с ограниченной емкостью показали, что DRS сохраняет более высокий CE, чем электроды из BNS и медной фольги в широком диапазоне рабочих условий. В течение первых нескольких циклов КЭ трех образцов постепенно увеличивались до ~ 98% (рис. 3а). Однако CE клеток с медной фольгой быстро снижается в течение следующих 80 циклов, тогда как CE клеток BNS снижается ниже 50% после ~ 190 циклов.
Рис. 3 DRS сохранял КЭ ~98,1% до 500 циклов при 1 мАсм -2 в ячейке 1 мАч см -2 и ~97,0% до 350 циклов при 0,5 мАсм -2 в ячейке 2 мАч см -2 . Общий КЭ DRS намного выше, чем у элементов BNS и Cu-Foil. Даже при высоких плотностях тока (до 5 мАсм -2 ) и больших емкостях (до 7,5 мАч см -2 ) ДРС сохраняет стабильный КЭ в течение значительно большего числа циклов, чем БНС и медная фольга ( Рис. 3б). Высокие емкости (т. е. высокие нагрузки Li) и скорости значительно ухудшают электрохимические характеристики анодов из BNS и медной фольги. Напротив, DRS способен сохранять стабильный CE в этих суровых условиях испытаний, что очень важно для разработки безопасных аккумуляторов с высокой энергией.Электрохимические свойства токосъемников DRS, BNS и медной фольги. a , b КЭ с покрытием/зачисткой лития при различных плотностях тока и мощностях. c Перенапряжения зародышеобразования для покрытия литием в трех электродах при ~0,15 мА·см −2 .
d Профили напряжения литиевого покрытия/зачистки на DRS при различных плотностях тока. e Разрыв напряжения между профилями заряда/разряда при различной плотности токаИзображение в полном размере
Чтобы понять различия в характеристиках трех анодов, были тщательно измерены кривые заряда-разряда при низком токе ~0,15 мАсм −2 для изучения процесса зародышеобразования. Профили потенциала на рис. 3c показывают, что фольге BNS и Cu требуется примерно дополнительное перенапряжение ~ 40 мВ (на что указывают провалы кривых) для зародышеобразования по сравнению с DRS. Объяснение низкого перенапряжения заключается в том, что слой Au в DRS снижает барьер зародышеобразования для осаждения Li в результате сходства решетчатых структур между Li 15 Au 4 и Li в системе сплавов Au-Li 23 . Как показано на рис. 3d, перенапряжения покрытия для DRS увеличиваются с увеличением плотности тока от 0,5 до 10 мАсм -2 .
Однако перенапряжения зародышеобразования остаются почти нулевыми, что указывает на низкий барьер зародышеобразования даже при высоких токах. На рис. 3e показан потенциальный зазор между плато покрытия и зачистки. Анод из медной фольги требует более высоких перенапряжений для управления реакциями литий-покрытия, чем аноды из BNS и DRS, потому что медная фольга имеет значительно меньшую площадь поверхности для покрытия, чем BNS и DRS. Интересно отметить, что перенапряжения покрытия на BNS почти такие же, как и на DRS, хотя их циклические свойства значительно различаются, что означает, что режим осаждения не выявляется в действительности только с использованием макроскопических электрических параметров (таких как общая плотность тока, перенапряжение). , и сопротивление), на которые в значительной степени полагаются современные методы мониторинга безопасности. Микроструктура литий-металлических электродов играет важную роль в режимах покрытия и склонности к короткому замыканию 34 .Испытания симметричных ячеек
Чтобы исключить влияние разнородных противоэлектродов, симметричные ячейки, состоящие из двух идентичных электродов, использовались для дальнейшего исследования того, как Li наносился/зачищался на трех токосъемниках (BNS, DRS и медная фольга, см. Дополнение). рис. 9 для их СЭМ-изображений). На рис. 4а показаны свойства долговременного циклирования симметричных ячеек с емкостью 3,5 мАч см -2 и плотностью тока 2 мАсм -2 (см. Дополнительный рисунок 10 для увеличенных деталей кривых напряжения). Ячейка, состоящая из электродов из медной фольги, показывает почти стабильный профиль напряжения в первые несколько циклов. Его напряжение начинает колебаться после ~100 циклов (~350 ч). Средние промежутки напряжения между литиевым покрытием и профилями зачистки значительно увеличиваются с увеличением числа циклов. Для ячейки BNS разрывы напряжения медленно увеличиваются с ~ 0,086 до ~ 0,104 В в течение ~ 240 циклов. Профили напряжения начинают быстро колебаться между 250 -й и 360-й -й циклов.
Рис. 4 Случайные изменения напряжения как для BNS, так и для элементов с медной фольгой могут быть связаны с нестабильной границей раздела Li/электролит 35,36 . Более конкретно, непрерывное образование литиевых дендритов приводит к чрезмерному пассивирующему слою или SEI 37 , что может увеличить общее электрическое сопротивление. Через несколько циклов происходит внезапное падение напряжения в ячейке из медной фольги, что может быть связано с коротким замыканием, вызванным дендритами 15,38,39 . Напротив, профили напряжения ячейки DRS показывают очень устойчивые плато в течение каждого цикла. Разрывы напряжения обычно поддерживаются на уровне ~ 0,07 В в течение более 500 циклов (1750 ч, см. рис. 4a и дополнительный рис. 11). При увеличении плотности тока до 10 мАсм -2 ячейка ДРС может работать в течение 130 циклов, что превышает срок службы ячеек с медной фольгой или БНС (рис. 4б). Коротких замыканий в ячейке DRS не наблюдалось. При плотности тока 30 мАсм –2 ячейка DRS все еще может демонстрировать определенную цикличность (см. Дополнительный рисунок 12). Это означает превосходное снижение проникновения дендритов лития через сепаратор. При чрезвычайно высокой емкости 40 мАч см -2 (рис. 4c), ячейка DRS также работает намного лучше, чем ячейки BNS и медной фольги. Мы обобщили некоторые важные отчеты о литий-металлических анодах на дополнительном рисунке 13. По сравнению с этими предыдущими исследованиями, DRS демонстрирует отличные электрохимические характеристики с точки зрения высокого тока и / или высокой емкости.Электрохимические свойства симметричных ячеек при циклировании на высоких скоростях и мощностях. Профили напряжения литиевого покрытия/зачистки емкостью 3,5 мАч см −2 при различных плотностях тока a 2 мАсм −2 и b 10 мАсм −2 . c Профили напряжения при сверхвысокой емкости 40 мАч см −2 при 5 мА см −2 . d Оценочные свойства элементов емкостью 2 мАч см −2 (единица измерения каждого тока мА см −2 ).
Графики Найквиста для трех ячеек при e 5 th и f 50 th циклов соответственноИзображение полного размера
Затем мы измерили профили напряжения трех ячеек при различных плотностях тока (рис. 4d). Гистерезис напряжения ячейки DRS незначительно увеличивается с 18 до 114 мВ при увеличении плотности тока от 0,5 до 5 мА см -2 . Напротив, элемент с медной фольгой демонстрирует гистерезис напряжения более ~ 384 мВ при высоком токе 5 мАсм -2 . Пикообразная форма напряжения в конце каждого цикла указывает на быстрое нарастание перенапряжения, которое может быть вызвано нестабильным SEI или аномальным истощением Li 33,40,41 . Нестабильный профиль напряжения ячейки с медной фольгой предполагает формирование избыточного SEI, что также увеличивает гистерезис напряжения при больших плотностях тока. Следует отметить, что локальные плотности тока в ячейке с медной фольгой выше, чем в ячейках DRS и BNS, из-за малой площади поверхности медной фольги, что еще больше способствует очень большому гистерезису напряжения (дополнительный рисунок 14).
).Для подтверждения выводов, сделанных выше на основании профилей напряжения, мы исследовали изменение сопротивления во время циклирования с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (ЭИС). На рис. 4e, f показаны графики Найквиста для трех ячеек для 5 -й и 50 -й циклов. Сопротивление переносу заряда можно оценить по диаметру полукругов, который обратно пропорционален площади поверхности 42 . Большой диаметр полукруга ячейки из медной фольги указывает на высокое сопротивление переносу заряда. Подогнанные результаты в дополнительной таблице 1 показывают, что R ct ячейки с медной фольгой во время циклирования увеличивается более значительно, чем у ячеек DRS и BNS. Увеличение связано с образованием избыточного SEI на ячейке из медной фольги. Интересно отметить, что результаты EIS клеток DRS и BNS аналогичны при 5 -й и 50 -й циклов. Однако после 200 циклов (дополнительный рисунок 15) ячейка DRS демонстрирует гораздо более низкий импеданс, чем ячейка BNS, что указывает на то, что DRS выгоден для долгосрочного циклирования.
Низкотемпературные свойства
Короткие замыкания, вызванные дендритами, особенно распространены при низких рабочих температурах в литиевых батареях 27,29,30 . Таким образом, в дополнение к установленному выше, что DRS успешно подавляет образование дендритов при комнатной температуре, мы исследовали его эффективность при более низких температурах. На рис. 5а, б представлены оптические фотографии верхней и нижней поверхностей ДРС и БНС, которые были покрыты литием при 5 °C и −15 °C. Изменения цвета указывают на то, что Li преимущественно осаждался в нижней части DRS как при 5 ° C, так и при -15 ° C. СЭМ-изображения (рис. 5c, d и дополнительный рис. 16) дополнительно подтверждают, что даже при низких температурах DRS индуцировал литиевое покрытие снизу вверх. Напротив, Li в основном осаждался в верхней части BNS. Блестящий серебристый цвет (рис. 5б) указывает на большее отложение лития в верхней части БНС, особенно при -15°С, чем наблюдаемое при 5°С (рис. 5д, е).
Рис. 5 Как упоминалось выше, образование дендритов обычно происходит при низкой температуре. Это связано с тем, что низкая подвижность ионов Li вызывает высокую концентрационную поляризацию, что приводит к неравномерному осаждению Li. Таким образом, восходящее покрытие в DRS указывает на то, что наша стратегия успешно противодействует неблагоприятному влиянию концентрационной поляризации на Li покрытие при низкой температуре.Низкотемпературные характеристики и электрохимические свойства. Оптические изображения верхней и нижней поверхностей a DRS и b BNS до и после покрытия литием при 5 °C и –15 °C. c – f СЭМ-изображения поперечного сечения верхних областей при большом увеличении ( c , d ) DRS и ( e , f ) поверхностей BNS при 5 °C и −15 ° С. г Профили напряжения литиевого покрытия/зачистки на DRS при 0,25 мА см −2 . Циклические свойства симметричных ячеек, состоящих из ДРС, БНС или медной фольги при 0,5 мА см -2 с ограниченной емкостью 1 мАч см –2 при ч 5 °С и и –15 °С.
Масштабные линейки: верхние изображения ( c − f ), 5 мкм; нижние изображения ( c − f ), 25 мкмИзображение в полный размер
Температура также влияет на другие ключевые электрохимические свойства, такие как перенапряжение и стабильность при циклировании 29,30,31 . Низкие температуры снижают кинетику переноса заряда на границе раздела и увеличивают сопротивление переносу ионов лития в жидком электролите, что приводит к большим перенапряжениям при гальванопокрытии, как показано на вставке к рис. 5g. На кривых напряжения по-прежнему отсутствуют провалы ниже 0 В, что указывает на то, что перенапряжение для зародышеобразования при 5 °C и –15 °C почти такое же, как и при комнатной температуре. На рисунке 5h показаны циклические свойства трех симметричных ячеек при 5 °C. Ячейка с медной фольгой имеет зашумленный профиль напряжения, что указывает на нестабильный SEI. Ячейка BNS имеет относительно стабильный профиль напряжения до 88 -й -й цикл, при котором напряжение внезапно падает примерно до нуля, что означает, что дендриты лития проникли в сепаратор и вызвали короткое замыкание.
Ячейка DRS поддерживает стабильный профиль напряжения более 180 циклов. Постепенное увеличение напряжения после ~180 циклов указывает на нарастание СЭВ без коротких замыканий. Даже при температуре -15 °C (рис. 5i) ячейка DRS может выполнять 50 циклов без резких изменений напряжения. Напротив, в ячейках из BNS и медной фольги после первых нескольких циклов наблюдаются случайные изменения или колебания напряжения. Хотя при повышенной плотности тока (дополнительная рис. 17) все три ячейки значительно деградируют по сравнению с рис. 5h, i, ячейка DRS превосходит как ячейки BNS, так и ячейки с медной фольгой. Тем не менее, мы продемонстрировали, что механизм настройки литиевого покрытия все еще работает при низких температурах.Анализ роста дендритов и разрушения клеток
Чтобы изучить рост дендритов через сепаратор и помочь визуализировать разрушение клеток в тяжелых условиях эксплуатации, мы собрали симметричные ячейки с двумя сепараторами из стекловолокна и провели посмертный анализ после циклирования на высоких скоростях и низкие температуры (рис.
Рис. 6 6) 43 . Количество циклов разборки ячеек приблизительно определялось тем, когда вышла из строя самая наихудшая ячейка. Хорошим ячейкам было разрешено еще несколько циклов (или до тех пор, пока мы не сможем визуализировать разницу в производительности). На рис. 6a–d показана внутренняя сторона одного из разделителей, используемого для наблюдения за дендритами. При комнатной температуре после ~150 циклов при 2 мА см −2 (рис. 6а), внутренняя сторона сепаратора в ячейке из медной фольги была почти полностью покрыта черными пятнами (по сравнению с изображением свежего сепаратора на дополнительном рис. 18), что свидетельствовало о большом количество литиевых дендритов, проникших в сепаратор 42 . В ячейке BNS дендриты лития появлялись по краю сепаратора примерно через 250 циклов. Напротив, для ячейки DRS дендриты на сепараторе не наблюдались даже после 300 циклов. При увеличении плотности тока до 10 мА см -2 (рис. 6б), дендриты Li появились на сепараторе в ячейке Cu-foil после 50 циклов и в ячейке BNS после 100 циклов, тогда как в DRS дендриты не наблюдались после 100 циклов. При более низкой температуре (рис. 6c, d) сепараторы клеток DRS также оставались чистыми без видимых дендритов (рис. 6e). Эти результаты являются дополнительным доказательством того, что DRS может регулировать рост дендритов и уменьшать проникновение дендритов в сепаратор. Этот смягчающий механизм DRS повысит безопасность аккумуляторов в практических приложениях.Обнаружение дендритов с использованием симметричных ячеек, включая два сепаратора. Оптические изображения контактных поверхностей двух перекрывающихся сепараторов после циклирования: a при 2 мАсм −2 и комнатной температуре (медная фольга на 150 циклов, BNS на 250 циклов и DRS на 300 циклов), b на 10 мА см −2 и комнатной температуре (медная фольга на 50 циклов, БНС на 100 циклов и ДРС на 130 циклов), в при 5 °C и 0,5 мА см −2 на 100 циклов и d при –15 °C и 0,5 мА см –2 для 50 циклов. e Схематические диаграммы различных режимов литий-покрытия в ячейках с использованием медной фольги, BNS и DRS
Изображение в полный размер
Обсуждение
Отличные электрохимические характеристики электродов DRS можно объяснить следующими преимуществами: (i) DRS настраивает термодинамику зародышеобразования, чтобы противодействовать неблагоприятным эффектам неоднородных мультифизических полей и вызывать безопасный режим осаждения снизу вверх; (ii) тесно взаимосвязанные поры облегчают перенос ионов лития и минимизируют концентрационную поляризацию, которая приводит к преимущественному осаждению лития на границе раздела анод/сепаратор, что особенно характерно для электродов с высокой нагрузкой и/или в жестких условиях эксплуатации; (iii) Металлический каркас сохраняет хорошую проводимость и приспосабливается к изменениям объема во время литий-покрытия и зачистки.
Сильные механические свойства электродов DRS незначительно влияют на проводимость и способность размещения во время циклов заряда-разряда; и (iv) большая площадь поверхности снижает локальные плотности тока и продлевает время Сэнда, что приводит к менее вероятным коротким замыканиям, вызванным дендритами (время Сэнда — это характерное время, за которое концентрация ионов падает до нуля при токах, превышающих пределы диффузии), потому что Время Песка подчиняется степенному закону плотности тока с отрицательным показателем степени.Чтобы дополнительно проверить и продемонстрировать вышеуказанные преимущества, мы сравнили DRS с промышленным пеноникелем (NF). Размер пор NF составляет около 200 мкм ~ 1 мм, что кажется слишком большим для высокоэффективного покрытия/зачистки литием (дополнительный рисунок 19), если только внутри больших пор не будет построена более проводящая сеть. Подобные наблюдения также были зарегистрированы в предыдущих исследованиях 35,39,44,45 . Таким образом, малый размер пор и высокая пористость делают DRS лучшим кандидатом на каркас для анодов из литиевого металла.
Мы также наносили Au на дно БНС без покрытия Al 9.1140 2 O 3 вверху, реализуя только градиент литиофильности, который показывает более высокую настраиваемость отложения Li, чем BNS, но более низкую, чем DRS (подробности см. Дополнительный рисунок 20). Это указывает на то, что разница перенапряжений зародышеобразования между нижним Au и верхним Ni не могла эффективно регулировать осаждение Li с помощью циклов. С помощью градиентов как электропроводности, так и литиофильности, DRS превосходит BNS с покрытием Au, потому что Al 2 O 3 с проводимостью 10 14 Ом см по сравнению с никелем (6,9 × 10 −6 Ом см) обеспечивает большую регулирующую способность, чтобы обратить вспять неблагоприятное предпочтение отложений, вызванное мультифизическими полями.Таким образом, короткие замыкания, вызванные дендритами, инициализируются на границе раздела анод/сепаратор. Чтобы предотвратить предпочтительное отложение лития на этой потенциально небезопасной границе раздела, мы предложили стратегию регулирования отложения лития с использованием градиентов проводимости/литиофильности для смещения благоприятных точек зародышеобразования от потенциально небезопасной поверхности раздела анод/сепаратор к безопасному дну анода.
По сути, DRS регулирует местные сопротивления R e и R Li в направлении толщины трехмерного каркасного литий-металлического анода путем электрической пассивации верхней части каркаса и химической активации его нижней части. Поскольку изолирующее покрытие в верхней области отключает электронную проводимость в области анода/сепаратора, в то время как покрытие из золота снижает перенапряжения зародышеобразования в нижней части, небезопасный режим осаждения был преодолен с помощью покрытия снизу вверх. В пространственном и временном масштабах DRS в наибольшей степени снижает вероятность коротких замыканий, вызванных дендритами. Экспериментальные результаты показали, что электрод DRS демонстрирует превосходные электрохимические свойства как в нормальных, так и в тяжелых условиях по сравнению с обычной 2D-медной фольгой и 3D-BNS. Наконец, Au и Al 2 O 3 использовались для демонстрации стратегии. Их можно заменить более дешевыми материалами с большей функциональностью для настройки литиофильности и проводимости (например, Zn/ZnO, Al, Sn, Si и т. д.) 23,25,46 . Поскольку DRS обеспечивает альтернативный подход к предотвращению коротких замыканий, который полностью отличается от описанных ранее стратегий подавления дендритов, мы считаем, что сочетание DRS и этих стратегий подавления может еще больше повысить безопасность литий-металлических анодов для будущих высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. батареи.Методы
Изготовление 3D DRS
Медный порошок (Sinopharm Corp., Китай) отливали на графитовую пластину для формирования тонкого и пористого слоя меди. После отжига при 900 °C в формовочном газе (5% H 2 и 95% Ar) в течение ~2 ч медный темплат отделяли от графитовой пластины, а затем помещали в раствор никелевого покрытия (SN-10, Transene Company). , США). Ni наносили гальванопокрытием на поверхность медного шаблона при ~1 мА см –2 в течение 1–5 ч с никелевой пластиной в качестве противоэлектрода. Темплат Cu в покрытом образце удаляли в травильном растворе 0,6 М Na 2 S 2 O 8 , 1,9 M (NH 4 ) 2 SO 4 и 3,5 M NaOH.
Полученный никелевый каркас промывали деионизированной водой и сушили на воздухе. Изготовление никелевых лесов также можно найти в наших предыдущих публикациях 47,48 . Полученный никелевый каркас промывали деионизированной водой и сушили на воздухе. Al 2 O 3 был направленно нанесен в верхнюю часть никелевого каркаса методом электронно-лучевого испарения (E-Beam500, Beijing Lako Roya, Китай). Нижняя поверхность каркаса Ni напылялась тонким слоем Au (SBC-12, KYKY Corp., Китай).Материал и электрохимические характеристики
Морфологические наблюдения и картирование элементов проводились с помощью автоэмиссионного электронного электронного микроскопа Zeiss Ultra 55. После электрохимической характеристики разобранные образцы промывали чистым растворителем и сушили. Нарезанные кусочки переносили в камеру СЭМ с коробкой, заполненной аргоном. Оптические изображения получали с помощью микроскопа Phenom (Pro, Phenom-World). Медная фольга, BNS и DRS (ϕ15 мм) были собраны в плоские ячейки CR2032 и подвергнуты гальваностатическому циклированию при различных температурах (25 °C, 5 °C и –15 °C).
Электролит представлял собой 1 М бис(трифторметансульфонил)имида лития в смеси 1,3-диоксолана и 1,2-диметоксиэтана с объемным соотношением 1:1 с 1 мас.% LiNO 3 . Клетки сначала подвергали пятикратному циклу между 0,01 и 1 В (по сравнению с Li/Li + ) для стабилизации SEI 35,49,50 (подробности см. на дополнительной рис. 21). Для изготовления симметричных ячеек два электрода-хозяина были покрыты одинаковым количеством лития, а затем собраны вместе, чтобы сформировать симметричную ячейку. В соответствии с предыдущими отчетами 26,35,44,49 каждая ячейка обычно была покрыта большим количеством лития, чем емкость цикла (см. Дополнительный рисунок 9) . Гальваностатическое циклирование и EIS измеряли с использованием тестера Land Battery Tester и потенциостата VSP (Bio-Logic Corp., Франция).Доступность данных
Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.
Ссылки
Lin, D.C. et al. Слоистый восстановленный оксид графена с наноразмерными межслоевыми зазорами как стабильная основа для анодов из металлического лития. Нац. нанотехнологии. 11 , 626–632 (2016).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Тараскон, Ж.-М. и Арманд, М. Проблемы и проблемы, стоящие перед перезаряжаемыми литиевыми батареями. Природа 414 , 359–367 (2001).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Ли, К., Тан, С., Ли, Л.Л., Лу, Ю.Ю. и Хе, Ю. Понимание молекулярного механизма зарядки импульсным током для стабильных литий-металлических батарей. Науч. Доп. 3 , e1701246 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Bouchet, R. et al. Одноионные триблок-сополимеры БАБ как высокоэффективные электролиты для литий-металлических аккумуляторов. Нац. Матер. 12 , 452–457 (2013).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Zhang, Y. et al. Литий-металлический анод большой емкости с малой извилистостью и направляющими каналами. Проц. Натл акад. науч. США 114 , 3584–3589 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Джин, С. и др. Высокая емкость и использование лития в анодах из ковалентно связанных графитовых микротрубок.
Доп. Матер. 29 , 1700783 (2017).Артикул Google Scholar
Ван С.-Х. и другие. Стабильные литий-металлические аноды за счет регулирования литиевого покрытия/зачистки в вертикально ориентированных микроканалах. Доп. Матер. 29 , 1703729 (2017).
Артикул Google Scholar
Ченг, X.-B. и другие. Двухфазный литий-металлический анод, содержащий интерфазу из твердого электролита, индуцированную полисульфидом, и наноструктурированный графеновый каркас для литий-серных батарей. ACS Nano 9 , 6373–6382 (2015).
Артикул КАС Google Scholar
Ченг, X.-B. и другие. Наноалмазы подавляют рост литиевых дендритов. Нац. коммун. 8 , 336 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Fan, X. L. et al. Негорючий электролит позволяет использовать литий-металлические батареи с агрессивным химическим составом катода. Нац. нанотехнологии. 13 , 715–722 (2018).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Ченг, X.-B. и другие. Имплантируемая твердоэлектролитная интерфаза в литий-металлических батареях. Chem 2 , 258–270 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Лю, Ф.-К. и другие. Модернизация традиционного жидкого электролита путем гелеобразования на месте для будущих литий-металлических батарей.
Науч. Доп. 4 , eaat5383 (2018).Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Се, Дж. и др. Сшивание h-BN путем атомно-слоевого осаждения LiF в качестве стабильного интерфейса для металлического литиевого анода. Науч. Доп. 3 , eaao3170 (2017).
Артикул Google Scholar
Ча, Э. и др. 2D MoS2 в качестве эффективного защитного слоя для литий-металлических анодов в высокопроизводительных батареях Li-S. Нац. нанотехнологии. 13 , 337–344 (2018).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Wang, C.W. et al. Конформная наноразмерная модификация поверхности ZnO твердотельного электролита на основе граната для анодов из металлического лития. Нано Летт. 17 , 565–571 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Lin, D.C. et al. Трехмерный стабильный металлический литий-анод с наноразмерными литиевыми островками, встроенными в ионопроводящую твердую матрицу. Проц. Натл акад. науч. США 114 , 4613–4618 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Чжан, Р. и др. Усовершенствованные микро/наноструктуры для литий-металлических анодов. Доп. науч. 4 , 1600445 (2017).
Артикул Google Scholar
Пурушотаман Б.К. и Ландау У. Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов с использованием импульсных токов. Дж. Электрохим. соц. 153 , A533–A542 (2006 г.).
Артикул КАС Google Scholar
Li, W.Y. et al. Синергетический эффект полисульфида лития и нитрата лития для предотвращения роста дендритов лития. Нац. коммун. 6 , 7436 (2015).
Артикул Google Scholar
Ян К. и др. Селективное осаждение и стабильная инкапсуляция лития за счет гетерогенного затравочного роста. Нац. Энергия 1 , 16010 (2016).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Хонг, Б. и др. Пространственно однородное отложение металлического лития в 3D-матрицах Janus.
Материал для хранения энергии. 16 , 259–266 (2019).Артикул Google Scholar
Zhang, H.M. et al. Литиофильно-литиофобный градиентный межфазный слой для высокостабильного металлического литиевого анода. Нац. коммун. 9 , 3729 (2018).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Jin, C.B. et al. Трехмерный металлический литий, встроенный в литиофильную пористую матрицу для стабильных литий-металлических батарей. Nano Energy 37 , 177–186 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Лю, К. Д. и др. Продление срока службы перезаряжаемых батарей на основе лития за счет реакции литиевых дендритов с новым многослойным сепаратором из наночастиц кремнезема. Доп. Матер. 29 , 1603987 (2017).
Артикул Google Scholar
Ченг, X.-B., Чжан, Р., Чжао, C.-Z. и Чжан, В. К безопасному литий-металлическому аноду в перезаряжаемых батареях: обзор. Хим. Ред. 117 , 10403–10473 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Аколкар, Р. Моделирование роста дендритов во время электроосаждения лития при температуре ниже комнатной. J. Power Sources 246 , 84–89 (2014).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Лав С.Т., Батурина О.А. и Свидер-Лайонс К.Е. Наблюдение литиевых дендритов при температуре окружающей среды и ниже. ЭКС Электрохим. лат. 4 , A24–A27 (2015).
Артикул КАС Google Scholar
Зинт, В.
и др. Явления неоднородности и релаксации в графитовом аноде литий-ионной батареи, исследованные методом дифракции нейтронов in situ. Дж. Источники питания 361 , 54–60 (2017).Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Ян, X.-G., Ленг, YJ, Чжан, G.S., Ge, S.H. и Ван, C.-Y. Моделирование старения литий-ионных аккумуляторов, вызванного литием: переход от линейного к нелинейному старению. J. Power Sources 360 , 28–40 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Лян, X. и др. Простой путь химии поверхности к стабилизированному металлическому литиевому аноду. Нац. Энергия 2 , 17119 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Лав, К. Т. Взгляд на механическое взаимодействие литиевых дендритов и полимерных сепараторов при низкой температуре.
Дж. Электрохим. Преобразование энергии. Склад 13, 031004 (2016).Артикул Google Scholar
Ян, К.-П., Инь, Ю.-Х., Чжан, С.-Ф., Ли, С.-З. & Го, Ю.-Г. Размещение лития в трехмерных токосъемниках с субмикронным каркасом в направлении долговечных литий-металлических анодов. Нац. коммун. 6 , 8058 (2015).
Артикул КАС Google Scholar
Ян К. и др. Ультратонкие двумерные атомарные кристаллы как стабильный межфазный слой для улучшения металлического литиевого анода. Нано Летт. 14 , 6016–6022 (2014).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Zhang, Y. et al. Трехмерный токосъемник на углеродной основе с защитой поверхности литий-металлического анода. Нано рез. 10 , 1356–1365 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Россо, М. и др. Короткое замыкание дендритов и эффект предохранителя на элементах Li/polymer/Li. Электрохим. Acta 51 , 5334–5340 (2006 г.).
Артикул КАС Google Scholar
Ye, H. et al. Стабильная электрохимия покрытия/зачистки лития, реализуемая гибридным резервуаром лития в сферических углеродных гранулах с трехмерными проводящими скелетами. Дж. Ам. хим. соц. 139 , 5916–5922 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Liu, Y.D. et al. Создание перезаряжаемых литий-металлических электродов за счет управления направлением роста дендритов. Нац. Энергия 2 , 17083 (2017).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
He, C., Raistrick, I.D. & Huggins, R.A. Применение методов AC для исследования диффузии лития в тонких пленках триоксида вольфрама. Дж. Электрохим. соц. 127 , 343–350 (1980).
Артикул Google Scholar
Ву, Б. Б., Лочала, Дж., Таверн, Т. и Сяо, Дж. Взаимодействие между границей твердого электролита (SEI) и дендритным ростом лития. Nano Energy 40 , 34–41 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Yun, Q.B. et al. Трехмерный пористый токосъемник для литий-металлических анодов, полученный химическим удалением примесей.
Доп. Матер. 28 , 6932–6939 (2016).Артикул КАС Google Scholar
Рен, Ф. Х. и др. Псевдоемкостное индуцированное равномерное покрытие/зачистка металлического литиевого анода в вертикальных графеновых наностенках. Доп. Функц. Матер. 28 , 1805638 (2018).
Артикул Google Scholar
Liu, Y.Y. et al. Полимерная матрица с литиевым покрытием в качестве анода из металлического лития с минимальным изменением объема и без дендритов. Нац. коммун. 7 , 10992 (2016).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Арпин К.А. и др. Монолитные пористые открытоячеистые конструкции. Патент США. 10 090 , 529 Б2 (2018).
Google Scholar
Лу, Л.-Л. и другие. Отдельно стоящий токосъемник с медной нанопроволокой для улучшения характеристик литиевого анода. Нано Летт. 16 , 4431–4437 (2016).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar
Чжан, Р. и др. Проводящие наноструктурированные каркасы обеспечивают низкую локальную плотность тока, что препятствует росту литиевых дендритов. Доп. Матер. 28 , 2155–2162 (2016).
Артикул КАС Google Scholar
«>
Ye, H. et al. Синергизм Alсодержащего межфазного слоя твердого электролита и коллоидных частиц на основе Al для стабильного литиевого анода. Nano Energy 36 , 411–417 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
«>
Гарри, К. Дж., Хига, К., Сринивасан, В. и Балсара, Н. П. Влияние модуля электролита на локальную плотность тока на кончике дендрита на литий-металлическом электроде. Дж. Электрохим. соц. 163 , А2216–А2224 (2016).
Артикул КАС Google Scholar
«>
Арора, П., Дойл, М. Р. и Уайт, Э. Математическое моделирование реакции перезарядки осаждения лития в литий-ионных батареях с использованием отрицательных электродов на основе углерода. Дж. Электрохим. соц. 146 , 3543–3553 (1999).
Артикул КАС Google Scholar
«>
Чи, С.-С., Лю, Ю.К., Сонг, В.-Л., Фан, Л.-З. & Zhang, Q. Предварительное хранение лития в стабильной трехмерной пеноникелевой основе в качестве литиевого металлического анода без дендритов. Доп. Функц. Матер. 27 , 1700348 (2017).
Артикул Google Scholar
«>
Лю, З. К. и др. Безуглеродный катод O2 с трехмерными сверхлегкими рутениевыми электрокатализаторами на пеноникелевой основе для аккумуляторов Li-O2. ChemSusChem 10 , 2714–2719 (2017).
Артикул КАС Google Scholar
Скачать ссылки
Благодарности
Авторы признательны за финансовую поддержку Национального фонда естественных наук Китая (21776121), Фонда выдающихся молодых людей Цзянсу (BK20160012), Программы «Цзянсу Шуанчуан», Плана тысяч молодых талантов, Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (2017YFA0205700) и National Materials Genome Project (2016YFB0700600).
Дж. Лу. с благодарностью выражает благодарность Министерству энергетики США (DOE), Управлению энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлению автомобильных технологий за поддержку. Аргоннская национальная лаборатория управляется Управлением науки Министерства энергетики США компанией UChicago Argonne, LLC в соответствии с номером контракта DE-AC02-06Ch21357.Информация об авторе
Авторы и организации
Национальная лаборатория микроструктур твердого тела, Колледж инженерных и прикладных наук, Совместный инновационный центр передовых микроструктур и Институт материаловедения, Нанкинский университет, Нанкин, 210093, Цзянсу, Китай
Джун Пу, Цзячен Ли, Цзя Чжу и Хуйган Чжан
Школа химического машиностроения, Северо-Западный университет, Шэньси, 9, Сиань, Китай
Цзячен Ли и Хайся Ма
Ключевая лаборатория наноустройств и приложений, Сучжоуский институт нанотехнологий и нанобионики, Китайская академия наук, Университет Китайской академии наук, 215000, Сучжоу, Китай
Кай Чжан и Чаовей Ли
Отдел химических наук и техники, Аргоннская национальная лаборатория, Аргонн, Иллинойс, 60439, США
Тао Чжан и Джун Лу
Департамент материаловедения и инженерии, Лаборатория исследования материалов Фредерика Зейтца, Институт передовых наук и технологий Бекмана, химический факультет, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, Урбана, Иллинойс, 61801, США
Paul V.
Braun
Авторы
- Jun Pu
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Jiachen Li
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Kai Zhang
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия
- Tao Zhang
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Chaowei Li
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Haixia Ma
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Цзя Чжу
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Paul V. Braun
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Jun Lu
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Huigang Zhang
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
Contributions
J.P. and H.Z. задумал концепцию и спроектировал эксперименты. Дж.П., Дж.Ли, К.З. и К.Л. синтезировал материалы. Дж. П. и Т. З. и выполненные материалы и электрохимические характеристики. Дж.Лу., Х.М., Дж.З. и П.В.Б. помощь в интерпретации результатов. Х.З., Дж.П., Дж.Ли и Дж.Лу. написал бумагу. Х.З. и Дж. Лу. руководил работой. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.
Автор, ответственный за переписку
Переписка с Хуйган Чжан.
Заявление об этике
Конкурирующие интересы
Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Дополнительная информация
Информация о рецензировании журнала: Nature Communications благодарит Dingchang Lin и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы.
Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
Дополнительная информация
Дополнительная информация
Права и разрешения
Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате. , при условии, что вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала.
Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.Перепечатки и разрешения
Об этой статье
Схема для токопроводящих чернил. Часть 1: Введение
Во время ремонта старого радиолюбительского передатчика в старшей школе я обнаружил неисправный конденсатор. Это была большая металлическая банка электролитического типа, привинченная к стальному корпусу радиоприемника. Поскольку он был частью отрицательного источника смещения 250 В постоянного тока, корпус был изолирован от шасси с помощью изолирующей шайбы из волокна. К сожалению, сменный конденсатор не шел с такой шайбой, а старый я не мог использовать, потому что он не подходил. Чтобы не отчаиваться, я решил сделать свой собственный изолятор, используя кусок резины, вырезанный из старой велосипедной камеры.
До сих пор я помню небольшой взрыв, который произошел, когда я щелкнул выключателем питания, не говоря уже об выпущенном запахе — я назвал его «Суть полуночи в Питтсбурге». На собственном горьком опыте я узнал, что внутренние камеры сделаны не только из резины, но и содержат значительное количество сажи и поэтому не являются очень хорошими изоляторами.Несмотря на мой сомнительный опыт работы с далеко не идеальными дирижерами, здесь, в Chris’s Corner, я раскрою эту тему в серии статей. Цель состоит в том, чтобы изучить использование проводящих чернил в качестве следов на печатной плате (PCB) с экспериментальной точки зрения. Я надеюсь пролить свет на различные проблемы, которые необходимо учитывать при использовании проводящих чернил во многих обычных повседневных схемах. После обзора технологии я спроектирую и соберу демонстрационную печатную плату, на которой можно будет смоделировать сопротивление дорожки в электронном виде и оценить производительность — какое сопротивление в дорожке печатной платы мы можем допустить? В заключение я мог бы построить такую же базовую печатную плату, но с использованием печатных красок.
Вот примерный план сериала, но на этом пути могут быть неожиданные повороты:- Часть 1: Введение
- Часть 2. Анализ статического постоянного тока
- Часть 3: Динамические характеристики переменного тока
- Часть 4. Создадим эталонную плату
- Часть 5a: TraceR, 5b: Настройка прибора, 5c: Тестовая плата MCU
- Часть 6a: Первый тестовый прогон, 6b: Тесты производительности постоянного тока
- Часть 7. Анализ переходных процессов
- Часть 8: Подведение итогов, что дальше?
Что такое сопротивление?
Удельное сопротивление является неотъемлемым свойством материала. Не запутайтесь, просматривая листы данных. Вы увидите, что это свойство называется по-разному: удельное сопротивление, объемное удельное сопротивление, объемное удельное сопротивление и/или удельное электрическое сопротивление. Также обратите внимание, что один и тот же материал или элемент, например медь, может иметь различное удельное сопротивление в зависимости от того, как он подготовлен (например, отожженный, тянутый, чистый и т.
д.). Один и тот же состав проводящих чернил может иметь различное удельное сопротивление в зависимости от способа его нанесения и отверждения. Еще одним эффектом является температура: сопротивление многих материалов снижается при понижении температуры, а некоторые материалы становятся сверхпроводниками с нулевым сопротивлением при экстремально низких температурах. Для целей этих статей термин «материал» будет использоваться для обозначения определенного сочетания материала + подготовка + температура.Основным определением удельного сопротивления является сопротивление на единицу длины материала, имеющего постоянную единицу площади поперечного сечения. Поскольку характеристики трасс печатных плат удовлетворяют этим условиям, этого простейшего определения будет достаточно. Удельное сопротивление обычно обозначается символом ⍴ и выражается в единицах СИ ом·метров (Ом·м). Для большинства интересующих материалов числа Ω·m очень малы, например, N✕10⁻⁸. Фактически, удельное сопротивление около 10⁻⁸ Ом·м является общим определением металла, а около 10⁺¹⁶ Ом·м – изолятором.
Поскольку значения удельного сопротивления для металлов очень малы, вы увидите, что оно выражается в мкОм·см.Я думал, что единицы проводимости, мос или сименс, будут использоваться, когда речь идет о проводниках и проводящих чернилах. Тем не менее, мой первоначальный обзор таблиц данных показывает, что говорить об их сопротивлении — это норма. Поэтому я буду использовать перевернутые ℧ (mhos) в соответствии со стандартной практикой.
Поверхностное сопротивление, обозначаемое Rₛ, выражается в Ом/□, где квадрат — это безразмерное отношение, обозначающее площадь куска материала. Неинтуитивно, квадраты разных размеров из одного и того же материала будут иметь одинаковое сопротивление. Дэйв Джонс хорошо продемонстрировал этот принцип на своем канале EEVblog несколько лет назад, где он измерял различные квадраты проводящей пены.
Хотя удельное сопротивление может быть полезным в некоторых случаях, поверхностное сопротивление материала более полезно при сравнении тонких полос проводящих материалов, таких как дорожки печатных плат.
Это особенно актуально, когда наносятся различные виды дорожек разной толщины. Подобно удельному сопротивлению, из-за небольшого числа используемых поверхностное сопротивление обычно указывается в мОм/□.Иногда можно увидеть листовое сопротивление материала, указанное для определенной толщины листа. Например, 190 мОм/□ @ 1 мил. Сначала это застало меня врасплох, потому что по размерам это эквивалентно удельному сопротивлению (483 мкОм·см). Что ж, как оказалось, это сделано для удобства вычислений, поскольку скачки между Ом·м, мкОм·см, Ом/□ и мОм/□ могут вскружить вам голову. Если мы знаем, что поверхностное сопротивление материала составляет 190 мОм/□ на расстоянии 1 мил, легко рассчитать его поверхностное сопротивление, скажем, при 2 мил (95 мОм/□) или 1/2 мил (380 мОм/□) с помощью просто разделив на целевую толщину (вы также можете столкнуться с сопротивлением листа, нормализованным до одного микрона по тем же причинам). Осторожно: это нормализованное сопротивление листа может быть нереальным — например, может быть невозможно печатать определенной краской толщиной 1 мил (25,4 мкм).
Резюме:
- Удельное сопротивление: Ом·м или мкОм·см — Внутренняя характеристика материала
- Сопротивление листа: Ом/□ или мОм/□ — описывает концептуальный бесконечный лист одинаковой толщины и с одинаковыми свойствами материала по всему
- Сопротивление: Ом — Электрическое сопротивление определенной формы, изготовленное из одного из этих листов
Медь — золотой стандарт дорожек
Американские инженеры делают удобное упрощение при проектировании схем — соединения, такие как провода, дорожки печатных плат и разъемы, обычно считаются идеальными короткими замыканиями. По крайней мере, при первичном анализе. Опытный инженер знает, когда это не работает, и будет относиться к этим случаям по-другому. Например, дорожки можно рассматривать как…
- последовательный резистор в сильноточных соединениях
- ВЧ линия передачи высокочастотных сигналов
- Паразитный шунтирующий конденсатор в цепях с очень высоким импедансом
Основанием для этих предположений является то, что материал соединения, обычно медь, имеет такую высокую проводимость, что в большинстве цепей ею можно пренебречь.
Давайте оценим это. Если мы поищем в Интернете или откопаем пыльный справочник CRC, то обнаружим, что удельное сопротивление меди составляет около 1,6 мкОм·см.Проводящие чернила
Токопроводящие чернила должны быть проводящими, но они не обладают такими же свойствами, как медь. Насколько они разные?
Во-первых, существует четыре основных технологии печати проводящими чернилами:
- Шелкография (подумайте о печати надписей на футболках или печатных платах)
- Флексография (вспомните резиновые штампы)
- Струйный (вспомните домашний цветной принтер)
- Аэрозоль (вспомните художника-аэрографа на футболках)
В основном все эти чернила представляют собой смесь основного материала, который является связующим (изолятором), и проводящих частиц. Обычно проводящим материалом является серебро (Ag), но в некоторых чернилах используется медь (Cu), оксид меди (CuO) и даже углерод ©. Выбор точных чернил и технологии печати будет очень специфичным для каждого проекта, учитывая область применения, долговечность, гибкость, факторы окружающей среды, тип электронной схемы и многое другое.
Для моих целей я собираюсь проигнорировать все эти моменты и вместо этого сосредоточусь на основных электрических свойствах.Давайте более подробно рассмотрим эти электрические свойства. Я рассмотрел 40 красок, перечисленных на веб-сайте Novacentrix, и собрал их характеристики в одну большую таблицу. Затем я смог сгруппировать и нанести их характеристики — своего рода соревнование по проводимости. Цель состоит в том, чтобы увидеть, как чернила реагируют на медь. Для начала давайте посмотрим на удельное сопротивление этих различных чернил. И, глядя на эту диаграмму, соотношение чернил и меди выглядит не так уж плохо.
Но чтобы оценить, как они будут работать на печатной плате, мы должны учитывать, насколько густо обычно наносятся чернила. На следующем рисунке показан диапазон типичной толщины для каждого типа чернил. Показанные четыре различных толщины меди представляют следы 1/2, 1, 2 и 4 унции, что соответствует 17, 35, 70 и 140 мкм соответственно. Я постараюсь придерживаться метрической системы и единиц СИ, но на самом деле индустрия печатных плат одной ногой застряла в лагере имперских единиц, а другой — на 0,3048 метра в метрическом лагере.
Эта проблема будет возникать снова время от времени.Вот это интересно. Судя только по удельному сопротивлению, вы могли бы разочароваться в красках для шелкографии. Но, учитывая, что их можно наносить гораздо гуще, чем другие чернила, в конце концов, они могут быть хорошим вариантом. Теперь давайте рассчитаем различные сопротивления листа для этих красок, принимая во внимание их обычную толщину и диапазон удельных сопротивлений.
Что ж, оказывается, чернила для шелкографии могут быть довольно близки к меди. Но, как мы и ожидали, медь побеждает во всех категориях, потому что у нее чрезвычайно низкое удельное сопротивление и что медные дорожки намного толще, чем почти все чернила.
Есть несколько причин, по которым токопроводящие чернила наносятся гораздо более тонкими слоями, чем медь. Часто приложение, использующее печатные чернила, должно быть гибким, и чем тоньше, тем лучше. Техника печати также может налагать некоторые ограничения по толщине.
И есть стоимость, чтобы рассмотреть также. Чернила дороже, чем их медные аналоги. Хотя они обычно изготавливаются из серебра, обработка, необходимая для изготовления чернил, увеличивает их стоимость больше, чем содержание драгоценного металла.Типичная дорожка печатной платы
В следующей статье я более подробно рассмотрю сопротивление дорожки и его влияние на типовые схемы. Но давайте закончим это введение трассировкой случайного сигнала на типичной печатной плате — скажем, на каком-нибудь микроконтроллере. Как насчет дорожки диаметром 8 мил, которая проходит на 3 дюйма по плате, сделанной из меди весом 1 унция (опять же, эти надоедливые имперские единицы). Посмотрим, какое сопротивление проявляет такой след.
Эти результаты выглядят не так уж плохо. Были бы некоторые ограничения при использовании дорожек с сопротивлением в сотни Ом в некоторых цепях, но есть много вариантов с сопротивлением в десятки Ом или меньше. Это выглядит многообещающе.
Часть 2.
Здесь продолжается анализ статического постоянного тока.Кредиты
Иллюстрация геометрии удельного сопротивления из Wikimedia:
Пользователь: Omegatron, CC BY-SA 3.0, через Wikimedia CommonsСтраница 465, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 8th Edition, 1920. Из Интернет-архива, идентификатор ark:/13960/t2g751s54, Public Domain Mark 1.0
Главное изображение: с веб-сайта NovaCentrix
Ручка CAIG CircuitWriter с проводящими серебряными чернилами – RadioShack
RadioShack.com Политика онлайн-возврата | Поврежденные или дефектные товары | Политика возврата покупок в магазине | Гарантия на продукт
RadioShack.com Политика онлайн-возврата
Из-за COVID-19 время обработки возвратов может занять больше времени, чем обычно. Подождите от 14 до 21 дня, прежде чем обращаться в службу поддержки клиентов по поводу статуса вашего возврата.
Спасибо за ваше терпение.На RadioShack.com мы хотим, чтобы вы были полностью удовлетворены каждым приобретенным товаром. Если вы не удовлетворены своей покупкой на RadioShack.com, вы можете вернуть большинство товаров в течение 30 дней с полным возмещением стоимости покупки за вычетом стоимости доставки, обработки или других дополнительных расходов. См. раздел «Исключения» для продуктов, на которые не распространяется наша политика возврата.
ВАЖНО: За некоторыми исключениями возврат средств осуществляется в виде кредита в интернет-магазине, который можно использовать на RadioShack.com. RadioShack не возмещает стоимость доставки. За некоторыми исключениями, мы не предоставляем предоплаченные этикетки для возврата; вы несете ответственность за покрытие любых расходов по доставке, чтобы вернуть ваш товар (ы).
Обязательно отправьте товар(ы) обратно в полном соответствии с нашей Политикой онлайн-возврата:
- Товар должен быть отправлен обратно в течение 30 дней с даты доставки.
- Предметы должны быть неиспользованными и находиться в состоянии как новые.
- Все товары должны быть возвращены в оригинальной упаковке, со всеми включенными аксессуарами и документами.
- За возвраты, отправленные обратно на наш склад без разрешения на возврат, полученного через наш Центр возврата или путем обращения в нашу службу поддержки клиентов, будет взиматься плата за ручную обработку в размере 10 долларов США.
Исключения: RadioShack.com не принимает возврат определенных товаров. Товары, не подлежащие возврату, отмечаются онлайн. К невозвратным товарам относятся:
- Продукты , которые были перепроданы или изменены (или помечены) для перепродажи, не принимаются.
- Открытое программное обеспечение или комплекты.
- Электронные носители, не имеющие дефектов (например, флэш-накопители USB и карты памяти).
- Средства личной гигиены (такие как маски для лица, щитки для лица).
- Товары, перечисленные как окончательная продажа или не подлежащие возврату.
- Товары, приобретенные не на RadioShack.com.
Чтобы вернуть или обменять ваши товары:
- Начните с посещения нашего Центра возврата по адресу radioshack.com/returns и введите адрес электронной почты, указанный при размещении заказа.
- Ваш запрос на возврат вашего товара должен быть в течение 30 дней с даты доставки или иным образом в рамках нашей Политики возврата.
- За некоторыми исключениями мы не предоставляем предоплаченные этикетки для возврата; вы несете ответственность за покрытие расходов на обратную доставку. Стоимость этикетки для обратной доставки будет вычтена из суммы возврата.
- Вы получите электронное письмо с инструкциями по возврату. Выберите «Начать возврат» и выберите товары, которые вы хотите вернуть. Следуйте инструкциям, чтобы напечатать этикетку для возврата.
- Пожалуйста, используйте выданную транспортную этикетку, чтобы обеспечить надлежащую обработку вашего возврата. Сохраните номер отслеживания возврата возвращаемой посылки, чтобы убедиться, что посылка будет возвращена на наш склад.
- Вы можете вернуть посылку в любое почтовое отделение США. Подтверждение по электронной почте будет отправлено вам после того, как ваш возврат будет получен и обработан нашим складом.
Международный возвратЕсли вы решите вернуть свой товар (-ы), RadioShack не предоставляет предоплаченные этикетки для возврата, и вы будете нести ответственность за покрытие расходов по доставке. Кроме того, клиенты за пределами США не смогут использовать наш онлайн-центр возврата. Вместо этого, пожалуйста, следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы вернуть товар в соответствии с нашей Политикой онлайн-возврата.
Чтобы вернуть товар по почте, свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов по адресу [email protected]. Мы предоставим вам этикетку для возврата, которую вы можете отнести к любому из ваших местных перевозчиков.
Отправьте возвращаемые товары в наш отдел возврата по адресу, указанному ниже:RadioShack возвращает
900 Terminal Road # 244
Fort Worth, TX 76106
Поврежденный или дефектный предмет(ы)Если вы получили поврежденный или дефектный товар от RadioShack.com, немедленно свяжитесь с представителем службы поддержки.
● Пожалуйста, сообщите представителю номер вашего заказа, номер позиции и номер для отслеживания из исходного электронного письма с подтверждением. Представителю также потребуется ваш адрес электронной почты и номер телефона.
● RadioShack.com приложит все разумные усилия, чтобы помочь вам с возвращением.
● Дефектный элемент может быть заменен в течение 30 дней с даты покупки в соответствии с нашей Гарантийной политикой или в течение гарантийного срока производителя, в зависимости от того, что дольше. Обратитесь за помощью к представителю отдела обслуживания клиентов.
● По возможности предоставьте фотографии повреждения или дефекта, чтобы ускорить помощь.
● Поврежденные или неисправные элементы будут заменены, если таковые имеются, или будет выдан кредит магазина RadioShack.com.
Потерянные в пути предметы
Если ваш номер для отслеживания показывает, что заказ был доставлен, но вы так и не получили его от RadioShack.com, немедленно свяжитесь с представителем службы поддержки клиентов.
● Свяжитесь с перевозчиком и подайте претензию в отношении утерянных в пути предметов. Сообщите представителю номер вашего заказа, номер товара, номер для отслеживания из исходного электронного письма с подтверждением и номер претензии. Представителю также потребуется ваш адрес электронной почты и номер телефона. ● RadioShack.com приложит все разумные усилия, чтобы помочь вам с заменой, если таковая имеется, или будет выдан кредит магазина.
Отмена заказа
Мы стремимся к тому, чтобы все заказы комплектовались, упаковывались и отправлялись как можно быстрее, потому что мы знаем, что вам не терпится получить их! Имея это в виду, как только ваш заказ будет размещен, мы не сможем отменить ваш заказ.
Пожалуйста, ознакомьтесь с политикой возврата для получения дополнительной информации, если возврат все еще необходим.Политика возврата покупок в магазине
Магазины RadioShack находятся в независимом владении и управлении и могут различаться в зависимости от местоположения. Обратитесь в местный магазин за копией их политики возврата. RadioShack.com не может осуществлять возврат товаров, приобретенных в магазинах RadioShack.
Гарантия на продукцию
Нажмите здесь , чтобы ознакомиться с Условиями использования для всех штатов.
На многие товары, продаваемые на RadioShack.com, распространяется гарантия производителя. Информацию о применимой гарантии обычно можно найти внутри коробки или упаковки. Для получения дополнительной информации о гарантии производителя на конкретный продукт обращайтесь непосредственно к производителю.
На наши продукты под собственной торговой маркой RadioShack предоставляется 90-дневная или 1-летняя гарантия, в зависимости от продукта.
Вы можете прочитать условия этих ограниченных гарантий ниже.Условия гарантии
За исключением Калифорнии, RadioShack не дает никаких дополнительных гарантий, явных или подразумеваемых, для любого продукта, произведенного стороной, отличной от RadioShack.
ЗА ИСКЛЮЧЕНИЕМ СЛУЧАЕВ, ЗАПРЕЩЕННЫХ ЗАКОНОМ, ПОДРАЗУМЕВАЕМЫЕ ГАРАНТИИ КОММЕРЧЕСКОЙ ПРИГОДНОСТИ И ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ СПЕЦИАЛЬНО ОТКАЗЫВАЮТСЯ: (1) ДЛЯ ВСЕХ ПРОДАЖ «КАК ЕСТЬ»; И (2) ПОСЛЕ НАЧАЛА: [A] Истечения срока действия ЛЮБОЙ ПРИМЕНИМОЙ ЯВНОЙ ГАРАНТИИ ИЛИ [B] 90 ДНЕЙ С ДАТЫ ПРИОБРЕТЕНИЯ.
RadioShack не несет ответственности за какие-либо убытки или ущерб (включая косвенные, специальные, случайные или косвенные убытки), прямо или косвенно вызванные продуктами, перечисленными в этом чеке. В некоторых штатах не допускаются ограничения подразумеваемых гарантий (таких как гарантии товарного состояния или пригодности для определенной цели) или исключение случайных или косвенных убытков, поэтому вышеуказанные ограничения или исключения могут не применяться к вам.
РадиоШак. Кроме того, у вас могут быть другие права, которые варьируются от штата к штату.Продукты, которые мы продаем, не разрешены для использования в качестве важнейших компонентов имплантируемых человеку устройств или устройств или систем жизнеобеспечения. Критический компонент — это любой компонент имплантируемого человеку устройства, устройства или системы жизнеобеспечения, неисправность которого, как можно обоснованно ожидать, вызовет отказ имплантата, устройства или системы жизнеобеспечения или повлияет на их безопасность или эффективность.
На многие другие продукты, предлагаемые на этом веб-сайте, распространяется гарантия производителя. Копия конкретной гарантии, если таковая предлагается гарантом, будет доступна для проверки перед продажей по специальному запросу по нашему каталожному номеру.
Мы поставляем множество продуктов, которые соответствуют военным спецификациям, представленным производителем. Мы не отслеживаем эти продукты; поэтому мы поставляем их только как коммерческие детали.
Информация для иностранных клиентов или клиентов, путешествующих за границу: продукты, приобретенные на сайте RadioShack.com или в наших торговых точках в США, не могут быть возвращены для гарантийного обслуживания ни в одном из наших международных офисов.
90-дневная ограниченная гарантия
RadioShack Online OpCo LLC (далее «RadioShack») гарантирует отсутствие дефектов материалов и изготовления данного продукта при нормальном использовании первоначальным покупателем в течение девяноста (90) дней после даты покупки в магазине, принадлежащем RadioShack, RadioShack.com , либо авторизованным франчайзи или дилером RadioShack. RADIOSHACK НЕ ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ДРУГИХ ЯВНЫХ ГАРАНТИЙ.
Настоящая гарантия не распространяется на: (a) повреждение или неисправность, вызванные или связанные с неправильным использованием, неправильным использованием, несоблюдением инструкций, неправильной установкой или обслуживанием, модификацией, аварией, стихийными бедствиями (например, наводнением или молнией) или чрезмерным напряжением.
или текущий; (b) ненадлежащий или неправильно выполненный ремонт лицами, не являющимися авторизованным сервисным центром RadioShack; (c) расходные материалы, такие как предохранители или батареи; (d) обычный износ или косметическое повреждение; (e) транспортные, транспортные или страховые расходы; (f) расходы на демонтаж, установку, настройку, регулировку или переустановку продукта; и (g) требования лиц, не являющихся первоначальным покупателем.В случае возникновения проблемы, на которую распространяется настоящая гарантия, отнесите продукт и товарный чек RadioShack в качестве подтверждения даты покупки по месту первоначальной покупки или посетите сайт www.radioshack.com/warranty. RadioShack по своему усмотрению, если иное не предусмотрено законом, (а) заменит продукт таким же или сопоставимым продуктом или (б) возместит стоимость покупки. Все замененные продукты, а также продукты, за которые произведен возврат средств, становятся собственностью RadioShack.
RADIOSHACK ЯВНО ОТКАЗЫВАЕТСЯ ОТ ВСЕХ ГАРАНТИЙ И УСЛОВИЙ, НЕ УКАЗАННЫХ В ДАННОЙ ОГРАНИЧЕННОЙ ГАРАНТИИ.
ЛЮБЫЕ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫЕ ГАРАНТИИ, КОТОРЫЕ МОГУТ ПРЕДОСТАВЛЯТЬСЯ ПО ЗАКОНУ, ВКЛЮЧАЯ ПОДРАЗУМЕВАЕМУЮ ГАРАНТИЮ КОММЕРЧЕСКОЙ ПРИГОДНОСТИ И, ЕСЛИ ПРИМЕНИМО, ПОДРАЗУМЕВАЕМУЮ ГАРАНТИЮ ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ, ИСЧЕЗАЮТ ПО ИСТЕЧЕНИИ ЗАЯВЛЕННОГО ГАРАНТИЙНОГО ПЕРИОДА.ЗА ИСКЛЮЧЕНИЕМ ОПИСАННОГО ВЫШЕ, КОМПАНИЯ RADIOSHACK НЕ НЕСЕТ НИКАКОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ПЕРЕД ПОКУПАТЕЛЕМ ПРОДУКТА ИЛИ ЛЮБЫМИ ДРУГИМИ ЛИЦАМИ ИЛИ ОРГАНИЗАЦИЯМИ ЗА ЛЮБУЮ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ, УБЫТКИ ИЛИ УЩЕРБ, ВЫЗВАННЫЕ ПРЯМО ИЛИ КОСВЕННО ИЗ-ЗА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЛИ РАБОТЫ ПРОДУКТА ИЛИ ВОЗНИКШЕГО НАРУШЕНИЕ НАСТОЯЩЕЙ ГАРАНТИИ, ВКЛЮЧАЯ, НО НЕ ОГРАНИЧИВАЯСЬ, ЛЮБЫЕ УЩЕРБЫ, СВЯЗАННЫЕ С НЕУДОБСТВАМИ И ЛЮБОЙ ПОТЕРЕЙ ВРЕМЕНИ, ДАННЫХ, ИМУЩЕСТВА, ДОХОДА ИЛИ ПРИБЫЛИ, А ТАКЖЕ ЛЮБЫЕ КОСВЕННЫЕ, ОСОБЫЕ, СЛУЧАЙНЫЕ ИЛИ КОСВЕННЫЕ УБЫТКИ, ДАЖЕ ЕСЛИ КОМПАНИЯ RADIOSHACK БЫЛА ПРЕДУПРЕЖДЕНА ВОЗМОЖНОСТЬ ТАКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ.
В некоторых штатах не допускаются ограничения срока действия подразумеваемой гарантии или исключения или ограничения случайных или косвенных убытков, поэтому вышеуказанные ограничения или исключения могут не применяться к вам.
Эта гарантия дает вам определенные юридические права, и вы также можете иметь другие права, которые различаются в зависимости от штата.Вы можете связаться с RadioShack по телефону:
Служба поддержки клиентов RadioShack
www.radioshack.com
[email protected]Обновлено 06.10.
Ограниченная гарантия сроком на 1 год
RadioShack Online OpCo LLC (далее «RadioShack») гарантирует отсутствие дефектов материалов и изготовления данного продукта при нормальном использовании первоначальным покупателем в течение одного (1) года после даты покупки в магазине, принадлежащем RadioShack, RadioShack.com , либо авторизованным франчайзи или дилером RadioShack. RADIOSHACK НЕ ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ДРУГИХ ЯВНЫХ ГАРАНТИЙ.
Настоящая гарантия не распространяется на: (a) повреждение или неисправность, вызванные или связанные с неправильным использованием, неправильным использованием, несоблюдением инструкций, неправильной установкой или обслуживанием, модификацией, аварией, стихийными бедствиями (например, наводнением или молнией) или чрезмерным напряжением.
или текущий; (b) ненадлежащий или неправильно выполненный ремонт лицами, не являющимися авторизованным сервисным центром RadioShack; (c) расходные материалы, такие как предохранители или батареи; (d) обычный износ или косметическое повреждение; (e) транспортные, транспортные или страховые расходы; (f) расходы на демонтаж, установку, настройку, регулировку или переустановку продукта; и (g) требования лиц, не являющихся первоначальным покупателем.В случае возникновения проблемы, на которую распространяется настоящая гарантия, отнесите продукт и товарный чек RadioShack в качестве подтверждения даты покупки в место первоначальной покупки или посетите сайт www.radioshack.com/warranty. RadioShack по своему усмотрению, если иное не предусмотрено законом, (а) заменит продукт таким же или сопоставимым продуктом или (б) возместит стоимость покупки. Все замененные продукты, а также продукты, за которые произведен возврат средств, становятся собственностью RadioShack.
RADIOSHACK ЯВНО ОТКАЗЫВАЕТСЯ ОТ ВСЕХ ГАРАНТИЙ И УСЛОВИЙ, НЕ УКАЗАННЫХ В ДАННОЙ ОГРАНИЧЕННОЙ ГАРАНТИИ.
ЛЮБЫЕ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫЕ ГАРАНТИИ, КОТОРЫЕ МОГУТ ПРЕДОСТАВЛЯТЬСЯ ПО ЗАКОНУ, ВКЛЮЧАЯ ПОДРАЗУМЕВАЕМУЮ ГАРАНТИЮ КОММЕРЧЕСКОЙ ПРИГОДНОСТИ И, ЕСЛИ ПРИМЕНИМО, ПОДРАЗУМЕВАЕМУЮ ГАРАНТИЮ ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ, ИСЧЕЗАЮТ ПО ИСТЕЧЕНИИ ЗАЯВЛЕННОГО ГАРАНТИЙНОГО ПЕРИОДА.ЗА ИСКЛЮЧЕНИЕМ ОПИСАННОГО ВЫШЕ, КОМПАНИЯ RADIOSHACK НЕ НЕСЕТ НИКАКОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ПЕРЕД ПОКУПАТЕЛЕМ ПРОДУКТА ИЛИ ЛЮБЫМИ ДРУГИМИ ЛИЦАМИ ИЛИ ОРГАНИЗАЦИЯМИ ЗА ЛЮБУЮ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ, УБЫТКИ ИЛИ УЩЕРБ, ВЫЗВАННЫЕ ПРЯМО ИЛИ КОСВЕННО ИЗ-ЗА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЛИ РАБОТЫ ПРОДУКТА ИЛИ ВОЗНИКШЕГО НАРУШЕНИЕ НАСТОЯЩЕЙ ГАРАНТИИ, ВКЛЮЧАЯ, НО НЕ ОГРАНИЧИВАЯСЬ, ЛЮБЫЕ УЩЕРБЫ, СВЯЗАННЫЕ С НЕУДОБСТВАМИ И ЛЮБОЙ ПОТЕРЕЙ ВРЕМЕНИ, ДАННЫХ, ИМУЩЕСТВА, ДОХОДА ИЛИ ПРИБЫЛИ, А ТАКЖЕ ЛЮБЫЕ КОСВЕННЫЕ, ОСОБЫЕ, СЛУЧАЙНЫЕ ИЛИ КОСВЕННЫЕ УБЫТКИ, ДАЖЕ ЕСЛИ КОМПАНИЯ RADIOSHACK БЫЛА ПРЕДУПРЕЖДЕНА ВОЗМОЖНОСТЬ ТАКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ.
В некоторых штатах не допускаются ограничения срока действия подразумеваемой гарантии или исключения или ограничения случайных или косвенных убытков, поэтому вышеуказанные ограничения или исключения могут не применяться к вам.
