Содержание

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3 / Хабр

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод


С — углерод.

Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения


Компонент резисторов.

В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.


Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.


Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.


Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.


Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

  • Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
  • Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
  • Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нагреватели обычно изготавливают из следующих сплавов:

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал Температурный коэффициент α
Кремний -0,075
Германий -0,048
Манганин 0,00002
Константан 0,00005
Нихром 0,0004
Ртуть 0,0009
Сталь 0,5% С 0,003
Цинк 0,0037
Титан 0,0038
Серебро 0,0038
Медь 0,00386
Свинец 0,0039
Платина 0,003927
Золото 0,004
Алюминий 0,00429
Олово 0,0045
Вольфрам 0,0045
Никель 0,006
Железо 0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово


Sn — Олово.

Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует

эвтектику

, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове


  • Чистое олово подвержено «оловяной чуме», когда при температурах ниже 13,2 °C олово меняет свою кристаллическую решетку, превращаясь из блестящего металла в серый порошок (как при нагревании алмаз превращается в графит). Согласно байкам, оловянная чума — одна из причин поражения Наполеоновской армии в условиях суровых российских городов (представьте, как на морозе ваши пуговицы, ложки, вилки, кружки превращаются в серый порошок). И вполне состоявшийся факт, что оловянная чума стала одной из причин которая погубила экспедицию Скотта — консервные банки, емкости с топливом были пропаяны оловом и на морозе просто развалились. Небольшая добавка висмута практически устраняет оловянную чуму.
  • Олово проводит электрический ток в 7 раз хуже меди.
  • Олово используется как защитное покрытие консервных банок — луженая жесть при контакте с пищей не делает её опасной. (но так как олово правее железа в ряду напряженности металлов, лужение не защищает железо от коррозии гальванически, как цинк, который левее железа в ряду напряженности. Как работает гальваническая защита можно прочитать по ссылке).
  • До широкого распространения алюминия, фольгу делали из олова, её называли «станиоль» (от stannum — латинское навание олова).
  • Не пытайтесь отремонтировать ювелирные украшения при помощи мягких оловянных и оловянно-свинцовых припоев. Прочность соединения будет неприемлемой, а наличие легкоплавкого припоя на поверхности осложнит нормальную пайку твёрдыми припоями.

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший

список

сплавов есть в Википедии.


Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

  • ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
  • ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин.
    Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
  • Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Замыкают список совсем легкоплавкие припои:

  • Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
  • Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Применяются для лужения печатных плат любителями, так как плавятся в горячей воде, и можно резиновым шпателем под слоем кипящей воды быстро покрыть припоем медную фольгу печатной платы. В технике их используют для пайки деталей, не выдерживающих нагрева до обычной температуры припоев, или в тех случаях, когда зачем-то нужен очень легкоплавкий металл (например, для датчика температуры).

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники


Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про

термопары

можно прочитать в соответствующей литературе.

Сплавы:

  • Хромель (90% Ni, 10% Cr)
  • Копель (43% Ni, 2-3% Fe, 53% Cu)
  • Алюмель (93-96% Ni, 1,8-2,5% Al, 1,8-2,2% Mn, 0,8-1,2% Si)
  • Платина (100% Pt)
  • Платина-родий (10-30% Rh)
  • Медь (100% Cu)
  • Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)

Соединяя два проводника из двух разных металлов получают термопары, например термопара типа K (ТХА — Термопара Хромель-Алюмель). Самые распространенные пары: хромель-алюмель, хромель-копель, медь-константан (для низких температур), платина-платинородий (для точных измерений и для высоких температур).

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:


Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.


На просвет проводящая пленка не видна


На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Ссылки на части руководства:

1

: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.


2

: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.


3

: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.


4

: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.


5

: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.


6

: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.


7

: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.


8

: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.


9

: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.


10

: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.


11

: Изоляционные ленты и трубки.


12

: Финальная

Готический город Пенза — Денник Старого коня — LiveJournal

— Пенза… — прокашлял проводник. – Лучше бы вам, ребята, в ней не задерживаться. Там привокзальные менты – звери просто. Попался им однажды – чуть не убили, паскуды. Только вышел на перрон – мигом сцапали! И деньги отобрали…
Он залпом осушил очередной стопарик и продолжил бормотать, но уже столь невнятно, что нельзя было разобрать и половины слов, живописующих ужасы странного города, в котором нам предстояло выходить.
Причиной было, как всегда, банальное раздолбайство. Понадеявшись друг на друга, мы забыли взять обратные билеты из Самары в Москву. А потом было уже поздно, мест не осталось. Блуждая по вокзальным путям, мы наткнулись на поезд “Новосибирск – Харьков”.
— Эй, залезайте сюда! – махнул нам проводник одного из вагонов.
Для своей профессии он выглядел странно – многодневная щетина, трясущиеся руки. Но выбирать не приходилось. Мы поднялись в тамбур, и с удивлением обнаружили, что других пассажиров нет. Да и сам вагон выглядел как зомби, которого неведомый маг воскресил на паровозном кладбище. Искусственная кожа сидений висела клочьями, половина стекол была разбита, двери в соседние вагоны наглухо задраены.
— Списали его, — пояснил проводник, перехватив наш взгляд. – В Харькове разбирать будут.
С мастерством фокусника он извлек откуда-то бутылку водки, стакан и банку шпрот. Достал нож-финку и молниеносно вскрыл жестянку.
— Вы закусывайте, не стесняйтесь.
По мере того, как бутылка пустела, рассказы проводника становились все более удивительными и кровожадными. Пенза оказалась последней вспышкой, после которой его сознание погрузилось в темные дебри, которые населяли только чудовища, вурдалаки и злые менты. Осознав это, мы поспешили ретироваться в соседнее купе.
Тем временем день окровянил небо и бессильно скатился за горизонт. Тьма просочилась сквозь разбитые окна и накрыла нас с головой – списанный вагон не был подключен к электросети. Высоко над мчащимся составом засиял бесстрастный лик Луны, и вдруг мы услышали жуткий вой. Я рефлекторно забился в угол, наблюдая, как в коридоре медленно вырастает черный силуэт.
Лунный свет преобразил нашего проводника до неузнаваемости. Еще недавно мирный и приветливый, теперь он медленно ковылял вдоль вагона, то жалостно завывая, то рыча неведомые проклятия, и в руке его поблескивала финка, вся в шпротном масле. Мы старались не дышать, и он, по счастью, нас не заметил, лишь продолжал бродить из конца в конец коридора, ни на секунду не умолкая, пока, наконец, не свалился в дальнем отсеке, чтобы замереть до утра. Остались лишь свист ветра, и хлопанье одинокой двери, и бескрайняя темнота.
Когда потусторонний вагон выплюнул нас на пензенский перрон, мы поначалу обрадовались. В конце концов, нас окружал город, где живет множество нормальных людей. Они мирно ходят на работу и в кафе, а порой, что особенно приятно, ездят в Москву, до которой не так уж далеко. Стало быть, сумеем выбраться и мы.
То, что московский поезд недавно ушел, нас почти не огорчило. Автостанция была закрыта до утра – тоже не страшно. Без труда нашлась попутка, которая подбросила до трассы. Мы заняли выигрышную позицию у самого поста ГАИ и замерли в ожидании.
Через час к нам подошел сердобольный инспектор.
— Ребята, а что вы здесь делаете?
— Фуру ждем.
— Не будет никакой фуры. И вообще, попуток не будет. Под Тольятти дамбу прорвало, так что даже не пытайтесь. Идите лучше домой, спать.
Было уже поздно, и мы, смирившись, направили стопы в привокзальную гостиницу.
— Что вы здесь делаете? – уставилось на нас из-за решеток неопределенное существо в очках – то ли наспех постриженный леший, то ли домовой-переросток.
— Поселиться хотим, — пролепетали мы.
— Знаем мы вас, — усмехнулся леший-домовой. – Сперва селитесь, а потом такое…
— Какое? – переспросил я.
— Сами понимаете! – взвизгнуло существо. – Ладно уж. Заполняйте анкету.
И оно просунуло нам сквозь решетку два листка из школьной тетради в клеточку, на которых здоровенным лиловым штампом была оттиснута анкета.
Кое-как заполнив трудноразличимые пункты, мы протянули листки лешему. Тот холодно посмотрел на нас и изрек:
— Сперва заверьте в отделении милиции, потом приходите. Оно здесь недалеко, на вокзале.
Мы вздохнули и побрели в зал ожидания – ночевать на скамейках. Общаться с чудовищами, столь живо описанными проводником-оборотнем, совсем не хотелось.
Едва забрезжило утро, мы отправились через весь город к другому вокзалу – всего в небольшой Пензе их было четыре. По-видимому, чтобы создавать у доверчивых жертв иллюзию того, что отсюда легко уехать. Купив билеты до Рузаевки — ближайшего транспортного узла, мы радостно плюхнулись на сиденья электрички. Пассажиров почти не было.
— Ребята, а вы часом не в Рузаевку собираетесь? – ласково спросила нас бабка-уборщица со шваброй наперевес.
Мы кивнули.
— Ничего у вас не выйдет. Рельсы разобрали. Ремонт.
И она, повернувшись к нам, подобно Фортуне, крепким тылом, пошла елозить шваброй в других вагонах.
Когда на автостанции объявили, что из-за аварии на мосту движение перекрыто и автобусы не ходят, мы уже не слишком удивились. Было понятно, что город настроен серьезно, и просто так не отпустит.
В третий раз мы вернулись на вокзал. Казалось, бомжи уже узнают нас и ухмыляются в грязные бороды, предчувствуя пополнение своих рядов. А может, и все они были такими же, как мы, невозвращенцами. Отделение милиции маячило прямо перед глазами. Из него пока что никто не выходил, и от этого становилось еще более жутко.
— Милый город Пенза, выпусти нас, пожалуйста! – наконец, взмолился мой спутник.
— Не знаю, что мы натворили, но мы больше не будем! – подхватил я. – Меня на работе заждались!
— А я и вовсе студент. Пожить толком не успел. Забери лучше его. Он старше.
— Нет, лучше его! Это сейчас он человек, а скоро превратится в юриста!
Город молча смотрел на нас, и провисшие провода чернели в небе, как кривая ухмылка.
А через пару часов мы уже вписались в поезд, который вез в Москву заключенных. В просторном почтовом вагоне переговаривались зэки, а я обессилено лежал на нижней полке в купе проводников. Перед носом маячил пульт управления с десятком загадочных кнопок, под одной из которых была привинчена черная табличка с надписью “Длительный отстой”.

Урок — практикум « Состав слова» 6 класс — Уроки — Материалы педагогов — Каталог статей

Ход урока:
1. Активизация познавательной деятельности.
2. Устный опрос.
3. Практические задания.
4. Итоги урока.
5. Домашнее задание

1. Активизация познавательной деятельности.
2. Устный опрос ( коллективная работа) слайд № 3
— из каких частей состоит слово?
— что такое корень?
— что такое окончание?
— что такое приставка, суффикс?

— что входит в состав основы слова?
— что такое форма слова?
— какие слова являются однокоренными? Приведите примеры однокоренных слов.

Работа в группах
1 задание (Слайд № 4)
( Вниманию учащихся представлены тексты)
Прочитать текст.
Произвести синтаксический разбор выделенного предложения.
( 1 ученик у доски ,остальная группа в тетрадях)
Найти в тексте однокоренные слова, разобрать их по составу.
( По 1 ученику от каждой группы)
1 текст.
Зима. Зимние дни холодные и снежные. Звери зимуют в теплых
в теплых норах.Медведь перезимует в своей берлоге.
2 текст.
Наступила снежная зима. Снегом покрыта земля. Дети катаются на санках и играют в снежки.

2 задание. (Слайд № 5)
Разобрать данные слова по составу , определить являются ли они однокоренными

1 группа
2 группа
пена пенка пенек вода водный проводник
железо желток желтый горка горе горный
циркуль циркач цирк полет лето летний
диво диван дивный город городской загородка

3 задание
К данным словам напишите их формы ( слайд № 6)

1 группа 2 группа
труд работа
друг враг
веселый грустный
умный глупый
4 задание
Разобрав слова по составу, укажите слова , в которых ПРО- является приставкой ( слайд № 7)

1 группа 2 группа
пробег прощать
проба противный
проходить проверю
простой пролет

5 задание ( слайд № 8)
Разобрав слова по составу, указать слова, в которых О-, ДО- являются частью корня.
(Обе группы разбирают все слова, выполняют задание самостоятельно. По окончании выполнения взаимопроверка по группам.)

1 группа 2 группа
оружие добежать
окружать доброта
осень доверие
огонь добрый
осмотреть доска

6 задание (слайд № 9)
Кто быстрее! (Ученики каждой группы поочередно выбегают к доске и выделяют только одну морфему). Побеждает та группа , которая быстрее и верно закончит разбор).

Зарядка Парта
Погрузка Петушок
Стол Танкист
Мышонок Походка
летчик побелка

7 задание ( слайд № 10)
От каждой пары слов образовать новые слова

1 группа 2 группа
Сам, варить Луна, ходить
Вода, падать Физическая культура
Главный врач Детский сад
Спортивная школа Каша варить
Заведующий хозяйством Диван и кровать

8 задание (слайд № 11)
Образуйте новые слова при помощи

1 группа 2 группа
Приставок ОТ-, ВЫ-, ЗА-, РАЗ-, и слова ДАТЬ Приставок РАС-, ПОД-, ПЕРЕ-, ВЫ- и слова СКАЗАТЬ
Суффикса ОВ- и слов БЕРЕЗА, ДУБ,ПУХ Суффикса ЕНЬК- и слов ДОБРЫЙ, СИНИЙ, ЖЕЛТЫЙ

Подведение итогов. Рефлексия.
Домашнее задание: составить тесты ( по 5 вопросов) по теме «Состав слова»

Мышка компьютерная – ремонт своими руками

Компьютерная мышь – это электронный манипулятор, предназначенный для дистанционного управления работой программ компьютера с помощью активации курсора, передвигающегося по экрану монитора вслед за перемещением мышки по поверхности. Для управления на корпусе мышки устанавливают не менее двух клавиш и колесо, позволяющее прокручивать страницы в вертикальном направлении.

По способу подключения к компьютеру мышки бывают проводные (подключаются с помощью гибкого кабеля разъемом PS/2 или USB) и беспроводные.

На фотографии представлена беспроводная мышка. Как видите, у нее нет провода для подключения к компьютеру. В беспроводных мышках обмен информацией осуществляется с помощью радиочастоты. В USB порт компьютера, ноутбука или планшета, вставляется приемопередатчик, обеспечивающий через эфир двухстороннюю связь мышки с устройством.

Беспроводным мышкам присущи следующие недостатки: — они дороже, тяжелее и требуют дополнительное внимание, так как необходимо периодически заменять севшие батарейки или заряжать аккумуляторы.

Оптические компьютерные мышки очень надежны и способны прослужить много лет. Но со временем ломаются, и приходится заменять мышку или ремонтировать самостоятельно, так как починка в мастерской обойдется дороже стоимости новой.

Проводные мышки выходят из строя, в подавляющем числе случаев, из-за перетирания провода в месте выхода из корпуса, а беспроводные по причине разрядки батарейки, аккумулятора или нарушения контакта между ее выводами или контактами в контейнере из-за их окисления. Со временем любые мышки выходят из строя по причине износа кнопок, обычно левой, как наиболее часто используемой. Для ремонта мышку необходимо разобрать.

Как разобрать компьютерную мышку

Для того, чтобы разобрать мышку для ремонта нужно с нижней ее стороны открутить крепежные винты. Обычно бывает один, но могут быть и несколько. В этой модели мышки половинки корпуса скреплены одним винтом.

Если визуально винтов не видно, то, скорее всего они закрыты этикеткой или спрятаны под подпятниками. Нужно легонько надавливать на этикетку по всей площади. Если, в каком, либо месте этикетка прогибаются в форме окружности, значит, скорее всего, там и спрятан винт. У этой мышки винт спрятан под этикеткой, которую пришлось частично отклеить.

В модели, например, TECH X-701 крепление выполнено с помощью двух винтов, один из которых тоже спрятан под этикеткой. При попытке отклеить этикетку она начала рваться, пришлось винт откручивать, проделав в этикетке отверстие. Место прокола этикетки отверткой на фотографии ниже, обозначено, синим кругом.

Если под этикетками винтов обнаружить не удалось, значит, они точно заклеены подпятниками. Для доступа нужно аккуратно ножиком снять подпятники. По окончанию ремонта мышки их надо будет приклеить на место, так как без подпятников она будет хуже скользить по коврику.

После отвинчивания винтов, нужно раздвинуть половинки корпуса мышки со стороны открученного винта в разные стороны и снять верхнюю часть, на которой находятся кнопки.

Печатная плата мышки обычно не зафиксирована винтами и установлена отверстиями на выступающие из корпуса пластмассовые стержни. Но встречаются компьютерные мышки, у которых печатная плата привинчена маленькими винтиками к корпусу. Если при попытке вынуть плату она не поддается, нужно найти и открутить все винты, которые ее крепят. Пример тому компьютерная мышка TECH X-701, которая закреплена к корпусу винтом, фиксирующим одновременно и дополнительную печатную плату боковых кнопок.

Чтобы вынуть плату нужно поддеть ее снизу, одновременно вынимая ось колесика из подшипниковых фиксаторов корпуса.

При разборке мышки запомните, как расположены детали относительно друг друга. Особое внимание обратите на пружинку трещотки колесика (если такая есть). Она похожа на пружину от прищепки, только размером маленькая и может легко потеряться. Если при вращении колесика Вам не нравится, как работает трещотка, то можете немного подогнуть кончик пружины, который входит в соприкосновение с зубцами колесика. Давление уменьшится и колесико будет вращаться мягче.

При разборке и ремонте мышки нужно следить за тем, чтобы не допускать касания рук к поверхностям оптической призмы и других элементов оптики. Если случайно прикоснулись и на поверхности остались потожировые следы, то нужно их обязательно удалить пропитанной специальным составом салфеткой для протирки оптических деталей. Ни в коем случае не допускается применение для очистки, каких либо растворителей. Если специальной салфетки нет под рукой, то просто сотрите следы грязи мягкой чистой тканью.

Ремонт беспроводной мышки

Главной причиной полной неработоспособности беспроводных мышек являются севшие батарейки (аккумуляторы) или плохой контакт их выводов с электрической схемой мышки. Так как лазеры у многих моделей мышек работают в световом диапазоне, то для определения состояния батареек достаточно включить мышку и взглянуть на нее снизу. Если красное свечение излучается, значит, батарейки в порядке. В противном случае ремонт надо начинать с проверки батареек и качества их контакта с электрической схемой мышки.

Для того, чтобы добраться до батареек нужно, например, как в этой мышке, нажать на кнопку «Open», после чего крышка батарейного отсека освободиться, и он откроется.

Если в мышке лазер работает в невидимой зоне, то проверить состояние источника питания можно только заменой или измерив напряжение на выводах батареек.

В давно работающей мышке могут окислиться контакты как на выводах аккумуляторов, так и контакты в мышке. В таком случае их нужно осмотреть и в случае обнаружения окислов удалить их ветошью, смоченной в спирте или просто хорошенько протереть до блеска. Наждачной бумагой удалить окисел с контактов мышки нежелательно, так как с них будет удалено тонкое защитное гальваническое покрытие.

Как в проводной мышке


отремонтировать перетершийся провод

Если при работе мышкой курсор начал самопроизвольно перемещается, перепрыгивать в любое место экрана монитора или зависать, то с большей достоверностью можно утверждать о нарушении целостности провода в месте выхода из корпуса. Проверить это легко, нужно прижать провод к корпусу и если временно работоспособность восстанавливается, значит точно дело в проводе.

Если при осмотре провода в месте выхода из корпуса компьютерной мышки обнаружено физическое его повреждение, то причина неработоспособности очевидна. Вот пример такого повреждения. На фото видно, что двойная внешняя оболочка провода повреждена, и некоторые проводники вида мишура перетерты.

При наличии навыков пайки паяльником, компьютерную мышку с перетертым проводом не сложно отремонтировать, удвоив ее срок службы. Ремонт заключается в удалении поврежденного участка провода и запайки, вновь подготовленных концов уцелевшей части проводников в печатную плату.

Как отремонтировать перетершийся провод мышки пайкой

Провод, соединяющий компьютерную мышку с разъемом, бывает двух видов – выполненный из обыкновенного тонкого многожильного медного провода и провода типа мишура. Провод типа мишура более эластичный, поэтому имеет высокую устойчивость при изгибах и служит дольше.

Входя в корпус мышки, провод проходит вдоль и соединяется с печатной платой. Встречаются два вида соединений, разъемное соединение или запрессовкой в колодку, которая впаивается в плату. На фото выпаянная из печатной платы колодка с запрессованными в нее проводниками.

В независимости от способа соединения проводов с печатной платой мышки, чтобы знать как запаять при ремонте, нужно сфотографировать или зарисовать, какого цвета провод с каким контактом соединен. Затем выпаять из платы разъем (лучше не разъединять, так легче выпаивать) или колодку. Международного стандарта цветовой схемы проводов для мышек нет, и каждый производитель цвета проводов выбирает по своему усмотрению. Мне приходилось ремонтировать много компьютерных мышек и везде провода от одних и тех же выводов разъемов шли разных цветов. Очевидно, это связано с тем, что мышка считается расходным материалом, и ремонт ее после окончания гарантийного срока производители не предусматривают.

После выпайки старых проводов из печатной платы мышки, необходимо освободить отверстия от припоя для запайки новых проводов. Эту работу легко выполнить при помощи зубочистки или остро заточенной спички. Достаточно разогреть припой в месте нахождения отверстия со стороны печатных проводников платы и вставить в него острие зубочистки, убрать паяльник, и когда припой застынет зубочистку вынуть. Отверстие будет свободным для установки в него проводника.

Для подготовки проводов к монтажу необходимо отрезать выходящий из корпуса мышки пришедший в негодность отрезок провода длиной 15-20 мм. Снять с проводов изоляцию и пролудить концы проводников припоем. Лудить провода нужно положив их на деревянную подставку, вращая при этом в одном направлении, чтобы облуженные кончики проводов получились круглой формы. Иначе их будет невозможно вставить в отверстия печатной платы.

Вставить в печатную плату мышки провода, в соответствии зарисованной цветовой схеме и запаять паяльником.

Провода типа мишура, залудить при помощи обыкновенного канифольного флюса не получится, так как проводники-ленточки мишуры покрыты слоем изоляционного лака. Кислотный флюс использовать нельзя, так как он пропитает внутреннюю нить провода мишура и со временем разрушит проводники. Лучшим флюсом в данном случае является таблетка аспирина.

Остается вставить залуженные концы проводов в отверстия печатной платы и запаять припоем.

Иногда встречаются мышки, в которых печатная плата двусторонняя с отверстиями для проводов очень маленького диаметра, и освободить их от припоя очень сложно. В таком случае можно просто припаять проводники к контактным площадкам. Так как физическая нагрузка на провода при работе мышки не прикладывается, соединение служит достаточно надежно.

Теперь можно установить печатную плату в основание корпуса и закрепить ее винтом, уложить провод и закрыть верхней крышкой. При установке крышки с кнопками нужно проследить, чтобы провод не попал под толкатели кнопок, между сопрягаемыми выступа корпус и не касался других подвижных деталей. Перед сборкой мышки обязательно надо удалить пыль и волосинки, которых за длительный срок эксплуатации набивается через щель между колесиком и корпусом довольно много. Ремонт окончен и компьютерная мышка опять готова к работе.

Как отремонтировать перетершийся провод мышки скруткой

Надежней, чем пайкой провод не отремонтировать, но не все умеют паять, а если и умеют, то не всегда есть под рукой паяльник. С успехом восстановить работу мышки можно и без паяльника, скруткой проводов. Разбирается мышка и вырезается участок перетершегося провода.

Далее, с небольшим нажатием лезвием ножа разрезается внешняя изоляция обоих концов проводков вдоль на 5-6 см.

Аккуратно извлекаются проводники из разрезанной оболочки провода. Оболочка провода не обрезается, она еще послужит.

Подгоняется длина проводников таким образом, чтобы при скрутке места скрутки были сдвинуты относительно друг друга на 8 мм и зачищаются концы проводников от изоляции на длину 5-8 мм.

Концы проводников одинакового цвета плотно скручиваются друг с другом.

Полученные скрутки загибаются вдоль проводников, и проводники заправляются в одну из ранее разрезанных оболочек провода. При заправке нужно обратить внимание, чтобы скрутки ни прикасались друг друга.

Далее на полученное соединение накладывается разрезанная вдоль вторая часть изоляции провода.

Пару витков изоляции исключит случайное прикосновение скруток к деталям на плате мышки и придадут соединению достаточную механическую прочность.

Осталось вставить разъем провода в ответную часть на печатной плате мышки и уложить провод в корпусе.

Закрываете верхнюю крышку, завинчиваете винты и можно приступать к работе на компьютере. Отремонтированный таким образом провод прослужит еще один срок. Иногда системный блок устанавливают вдали от рабочего места, и длины провода мышки не хватает для работы без его натяга. По выше предложенным технологиям можно с успехом нарастить провод до нужной длины, взяв провод от старой мышки. Так как нет единого цветового стандарта для проводов, нужно предварительно определить прозвонкой, какой цвет провода подключен к какому номеру в разъеме.

Для увеличения срока службы мышки необходимо следить, чтобы провод в месте выхода из корпуса мышки при манипуляциях ней не сильно изгибался.

Если колесико мышки стало плохо вращаться

Иногда при вращении колесика мышки прокрутка страниц происходит рывками или в одну из сторон не передвигается. Одной из причин является попадание пыли и волосинок между фотодатчиком и фотоприемником оптопары колесика. Грязь попадает в корпус мышки через зазор между ее корпусом и колесиком и прилипает к осям колесика, так как они покрыты смазкой для улучшения скольжения.

После удаления пыли и волосинок, работоспособность колесика мышки восстановилась.

Ремонт кнопки мышки

Если при нажатии на левую или правую кнопку мышки реакция происходит не всегда или не происходит вовсе, то причин может быть две. Износ кнопки в месте касания с толкателем микропереключателя или его отказ. Для того, чтобы понять причину, достаточно разобрать мышку и осмотреть место кнопки, соприкасающееся с толкателем. Если присутствует миллиметровое углубление, то возможно в этом и заключается причина.

При нажатии пальцем на толкатель исправной кнопки, должен раздаваться четкий и звонкий щелчок. Если звук глухой, то возможно дело в переключателе. Для проверки нужно подключить мышку со снятой верхней половиной к работающему компьютеру и понажимать пальцем на толкатели микропереключателей. Если нормально работает, то достаточно будет устранить выработку на кнопке любым доступным способом, например плавлением пластмассы, каплей эпоксидной смолы. Если дело в микропереключателе, то придется его заменить.

В подавляющем большинстве мышек применяются микропереключатели стандартных размеров. Устроен и работает микропереключатель следующим образом. В пластмассовом корпусе запрессованы три пластины из латуни сложной конфигурации, которые заканчиваются штырями для запайки в печатную плату. Левая (на фото) пластина является средней точкой переключателя. На ней в распор закреплена дополнительная тонкая латунная пластина с П образным отверстием.

Левой стороной тонкая латунная пластина зацепляется за выступ с левой стороны левой контактной пластины, а правой, изогнутой дугой, зацепляется за правый выступ левой контактной пластины. Тонкая плоская пластина установлена таким образом, что ее правый конец выталкивает всегда вверх, и она контачит с правой толстой пластиной, имеющую Г образную форму.

Когда Вы нажимаете на кнопку, толкатель кнопки передает усилие на тонкую пластину, она перемещается вниз, отходит от верхнего контакта и соприкасается с нижним, вывод которого находится в середине кнопки. После прекращения давления, тонкая пластина, возвращается в верхнее исходное положение и соединяет опять крайние контакты микропереключателя. Таким образом, при не нажатой кнопке соединены между собой крайние контакты, выходящие снизу из кнопки, а при нажатии соединяются между собой левый и средний.

Со временем металл накапливает усталость, дугообразная пружина деформируется и частично теряет свои пружинящие свойства. Вот кнопка и перестает работать. Можно попытаться отремонтировать микропереключатель, для чего разобрать его, извлечь дугообразную пружину и немного распрямить ее. Но имея запас старых мышек к такому ремонту мне прибегать не приходилось. Хотя кнопки в клавиатурах на заре появления компьютеров ремонтировал многократно, в них каждая кнопка работала по такому же принципу как микропереключатели в мышках.

Поэтому, если у вас завалялась старая шариковая, то целесообразнее из нее выпаять микропереключатель для замены вышедшего из строя. Выпаивать лучше всего тот, который установлен под колесом. Он редко используется и, как правило, исправен.

Если нет колесика, то тогда брать микропереключатель правой кнопки. Перед выпаиванием микропереключателя, обратите внимание, как он установлен. В микропереключателях выводы расположены симметрично и при установке легко ошибиться. Если старой мышки нет, то допустимо в ремонтируемой мышке поменять местами микропереключатели, из под левой кнопки на установленную под колесиком. А если совсем безвыходное положение, то придется заняться ремонтом микропереключателя.


Роман 26.10.2016

Здравствуйте, у меня такая проблема. В моей мышке x7 провода оторвались от USB разъёма. Разобрал разъём, а там 5 проводов синий, зелёный, золотистый, красный и красно-золотистый. На плате красно-золотистый и синий соединены, а на самом штекере какая распайка?
Спасибо.

Александр

Здравствуйте, Роман!
Судя по цветам в мышке стандарт по распайке USB разъема не соблюдается. Поэтому тут нужно разбираться по факту, согласно приведенной схеме распайки USB.

Вероятнее всего провод красного цвета +5 вольт и его надо припаять к выводу 1. Синий и красно-золотистый являются общими и должны быть припаяны к 4 выводу USB. Зеленый к 3, а золотистый ко 2 выводу. Обычно на плате мышки есть электролитический конденсатор, на котором нанесена полярность его подключения. По нему можно определить цвета проводов питания и их полярность, выводы 1 и 4 USB разъема.

Сергей 11.03.2021

Здравствуйте!
В мышке стоит микросхема SB311 (E0906D), от которой идёт провод на USB. Не могу найти какая ножка микросхемы конкретно идёт на определённые контакты USB. Буду очень благодарен, если получу ответ на свой вопрос!

Александр

Здравствуйте, Сергей!
К сожалению, у меня нет информации по данной микросхеме и в интернете тоже не нашел, так как похоже это специализированная микросхема.
Но выводы, идущие на USB можно узнать и без знания назначения выводов микросхемы.
Питающие выводы определяют так: минус обычно соединён с экранирующим проводов USB кабеля. Еще на пате мышки обычно стоит электролитический конденсатор, который служит для сглаживания пульсаций питающего напряжения и по его выводам можно определить куда припаивать + и — USB кабеля.
Провода данных, обычно выводы 2 и 3 разъёма USB можно припаять случайны образом, если мышка не заработает, то поменять местами. Они защищены и это допустимо.

Страница не найдена | Соединенные Штаты Америки

*

Твоя страна * Ваш countryAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Синт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongo (Браззавиль) Конго (Киншаса) Кук IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicCôte d’IvoireDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный TerritoriesGabonGambiaGeorgiaGermanyGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea- БисауГайанаГаити Остров Херд и острова МакдональдГондурасГонконгВенгрияI celandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPalestinian TerritoryPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarRomaniaRussiaRwandaRéunionSaint BarthélemySaint Елены, Вознесения и Тристан-да CunhaSaint Китса и NevisSaint LuciaSaint Мартин (французская часть) Сен-Пьер и MiquelonSaint Винсент и GrenadinesSamoaSan MarinoSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint Маартен (Голландская часть) SlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Грузия и так UTH Sandwich IslandsSouth KoreaSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyriaSão Tomé и PríncipeTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабского EmiratesUnited KingdomUnited StatesUnited Штаты Внешние малые острова IslandsUruguayUzbekistanVanuatuVaticanVenezuelaVietnamVirgin, BritishVirgin остров, U. С.Уоллис и ФутунаЗападная СахараЙеменЗамбияЗимбабвеАландские острова

Ваш электронный адрес *

Страница без находок | Франция

*

Вотр платит * Votre paysAfghanistanAfrique ей SudAlbanieAlgérieAllemagneAndorreAngolaAnguillaAntarctiqueAntigua и др BarbudaArabie SaouditeArgentineArménieArubaAustralieAutricheAzerbaïdjanBahamasBahreïnBangladeshBarbadeBelgiqueBelizeBermudesBhoutanBirmanieBiélorussieBolivieBonaire, Синт-Эстатиус и SabaBosnie-HerzégovineBotswanaBruneiBrésilBulgarieBurkina FasoBurundiBéninCambodgeCamerounCanadaCap-VertChiliChineChypreColombieComoresCongo (Браззавиль) Конго (Киншаса) Corée ей NordCorée дю SudCosta RicaCroatieCubaCuraçaoCôte d’IvoireDanemarkDjiboutiDominiqueEspagneEstonieFijiFinlandeFranceGabonGambieGhanaGibraltarGrenadeGroenlandGrèceGuadeloupeGuamGuatemalaGuerneseyGuinéeGuinée équatorialeGuinée-BissauGuyanaGuyane françaiseGéorgieGéorgie ей Sud и др ль Îles Sandwich ей SudHaïtiHondurasHong KongHongrieIle де ManIndeIndonésieIrakIranIrlandeIslandeIsraëlItalieJamaïqueJaponJerseyJordanieKazakhstanKenyaKirghizistanKiribatiKoweïtLaosLe NauruLesothoLettonieLibanLibyeLibériaLiechtensteinLituanieLuxembourgMacaoM acédoineMadagascarMalaisieMalawiMaldivesMaliMalteMarocMartiniqueMauriceMauritanieMayotteMexiqueMicronésieMoldavieMonacoMongolieMontserratMonténégroMozambiqueNamibieNicaraguaNigerNigériaNiueNorvègeNouvelle-CalédonieNouvelle-ZélandeNépalOmanOugandaOuzbékistanPakistanPalaosPanamaPapouasie-Nouvelle-GuinéeParaguayPays-BasPhilippinesPitcairnPolognePolynésie françaisePorto RicoPortugalPérouQatarRoumanieRoyaume-UniRussieRwandaRépublique centrafricaineRépublique dominicaineRépublique tchèqueRéunionSahara occidentalSaint BarthélemySaint Елены, Вознесения и Тристан да CunhaSaint Киттс и др NevisSaint Винсент и др ле GrenadinesSaint-MarinSaint-Мартина (française партии Специальным) Сен-Пьер-э-MiquelonSainte- ЛюсиСальвадорСамоаСамоа американесСербияСейшельские островаСьерра-ЛеонеСингапурСент-Мартен (голландская часть)СловакияСловенияСомалиСуданЮжный СуданШри-ЛанкаШвейцарияСуринамЗамшаШпицберген и остров-Ян-МайенСвазилендСирияСан-Томе и ПринсипиСенгалТаджикистанТаджикистанФранс ВеликобританияТанзанияТаресванЧад annique de l’océan IndienTerritoirepalestinienТаиландТимор-ВосточныйТогоТокелауТонгиенТринидад и ТобагоТунисТуркменистанТурцияТувалуУкраинаУругвайВануатуВенесуэлаВьетнамВиргинские острова, Британские Виргинские острова, U. S.Wallis и др FutunaYémenZambieZimbabweÅland IslandsÉgypteÉmirats Arabes unisÉquateurÉrythréeÉtat Сите дю VaticanÉtats-UnisÉthiopieÎle BouvetÎle ChristmasÎle NorfolkÎles CaïmansÎles Кокосовые (Килинг) Îles CookÎles FéroéÎles Хёрд и др MacDonaldÎles MalouinesÎles Mariannes дю NordÎles MarshallÎles SalomonÎles Турки и др CaïquesÎles mineures éloignées де Etats-Unis

Ваш адрес электронной почты *

Vous acceptez Que Vos Données Seront utilisées для предателя VOtre requiree. Дополнительная информация и инструкции по отзыву peuvent être trouvées dans la politique de privacyité.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Заявка на патент США для ДВОЙНЫХ ИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ NASICON ДЛЯ ВСЕХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ Заявка на патент (заявка № 20210367267, выданная 25 ноября 2021 г.)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

В настоящей заявке испрашивается преимущество предварительной заявки США 63/027,477, поданной 20 мая 2020 г., содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ НА ФЕДЕРАЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ ИССЛЕДОВАНИЯХ И РАЗРАБОТКАХ

Изобретение, описанное в данном раскрытии, было сделано при государственной поддержке в рамках основного контракта №DE-AC05-00OR22725 выдан Министерством энергетики США (DOE). Правительство США имеет определенные права на изобретение.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к проводящим материалам и, более конкретно, к многоионным суперионным проводящим материалам и способам их изготовления и использования.

ПРЕДПОСЫЛКИ РАСКРЫТИЯ

Полностью твердотельные батареи привлекли большое внимание в последние годы из-за обещания реализовать высокую плотность энергии, обеспечиваемую металлическими анодами большой емкости.Однако, несмотря на это обещание, обычным полностью твердотельным батареям предстоит пройти долгий путь, прежде чем можно будет добиться успешной коммерциализации, из-за материальных и инженерных проблем, которые еще предстоит решить для различных компонентов.

В последнее время исследования материалов с твердым электролитом развивались вокруг следующих показателей: (i) высокая ионная проводимость, (ii) химическая и электрохимическая стабильность, (iii) механическая прочность и (iv) безопасность. В то время как было исследовано множество классов твердых электролитов, класс супертонных натриевых проводников (т.e., «NASICONs») медленно пересматриваются для примеров с высокой ионной проводимостью, механической прочностью и хорошей химической и электрохимической стабильностью. В частности, материалы, принадлежащие к семейству NASICON, в которых используются анионы фосфата, широко исследовались в качестве потенциальных электролитов и катодных материалов для ионно-литиевых, натриевых и Mg-аккумуляторов благодаря их высокой ионной проводимости, а также термической и экологической стабильности. Общая формула для таких материалов типа NASICON: AM 1 M 2 (PO 4 ) 3 , где A может быть одновалентным катионом, таким как Li + , Na + + K . , RB + , CS + , AG + , AG + , CU + , H + , H + , H 3 O + , NH 4 + , двухвалентное качение, такое как MG 2+ , CA 2+ , SR 2+ , BA 2+ , PB 2+ , CD 2+ , ZN 2+ , MN 2+ , FE 2+ , Co 2+ , Ni 2+ или Cu 2+ , или, альтернативно, просто представитель вакантной позиции. M 1 и M 2 могут быть заполнены двух-, трех-, четырех- или пятивалентными ионами переходных металлов в пределах баланса заряда. NASICON могут кристаллизоваться в трех разных кристаллических структурах в зависимости от конкретного выбора метода синтеза, температуры отжига и выбора A, M 1 и M 2 , в результате чего получаются α, β и γ-NASICON. Из них γ-NASICON имеют самую высокую симметрию с пространственной группой R3C, что считается подходящим для достижения высокой ионной проводимости.

NASICON были широко исследованы не только для ионов Na, но и для литий-ионных полностью твердотельных батарей. Например, Li 1.3 AL 0.3 Ti 0.3 (PO 4 ) 3 (Latp) и Li 1.5 AL 0.5 GE 1.5 (PO 4 ) 3 ( LAGP) — два популярных электролита NASICON для литий-ионных твердотельных аккумуляторов. Эти электролиты имеют высокую ионную проводимость (~10 -3 См см -1 ), но, к сожалению, имеют проблемы со стабильностью, поскольку Ti 4+ и Ge 4+ подвергаются восстановлению при контакте с металлическими литиевыми анодами. Первопринципные исследования материалов LATP и LAGP сообщают об окнах рабочего напряжения между 2,17–4,21 и 2,7–4,21 В соответственно. Существует большое разнообразие материалов NASICON на основе ионов натрия с ромбоэдрической структурой, которые обеспечивают сравнимую ионную проводимость до ~10 -3 См см -1 при комнатной температуре из-за трехмерных путей проведения ионов. Кроме того, изобилие источника Na и низкая стоимость обработки делают Na-ion NASICON выгодным по сравнению с LATP и LAGP, которые требуют очень высоких температур отжига и обработки, что увеличивает стоимость производства.Однако электрохимическая и химическая стабильность поверхности раздела катод/электролит также является проблемой в этих системах. Таким образом, необходимо предусмотреть и реализовать новые конструкции материалов, чтобы реализовать полезность полностью твердотельных батарей с материалами типа NASICON.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложен состав суперионного проводника. Состав суперионного проводника имеет общую формулу:


A 1+x M x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 , 7 901 независимо друг от друга. Na или Li, M представляет собой Mn или Mg, а нижний индекс x начинается с 0.с 5 по 3.

Также предоставляется твердый электролит, содержащий композицию суперионного проводника, вместе с твердотельной батареей, содержащей его.

Далее предлагается способ приготовления твердого электролита, который включает объединение соединения циркония, соединения марганца или соединения магния, соединения натрия и соединения фосфата с получением смеси; и прокаливание смеси с получением композиции проводника супериона, тем самым готовя твердый электролит.В некоторых вариантах осуществления соединения объединяют в присутствии носителя (например, растворителя) с получением смеси, и способ дополнительно включает удаление носителя из смеси перед прокаливанием. В некоторых вариантах осуществления состав суперионного проводника дополнительно определяется как проводник с двойным ионом Li/Na, содержащий ромбоэдрическую решетчатую структуру и подвижные ионы Na + и Li + . Прокаливание смеси дает фазу типа NASICON, содержащую подвижные ионы Na + , и способ дополнительно включает замещение подвижными ионами Na + ионов Li + в фазе типа NASICON посредством химического или электрохимического ионного обмена без изменения ромбоэдрической структуры решетки, тем самым получая твердый электролит. .

Также предоставляется католитная композиция. Католитная композиция включает композицию суперионного проводника, где M представляет собой Mn, так что композиция суперионного проводника имеет формулу A 1+x Mn x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 , где каждый A и нижний индекс x определены выше.

Мембрана из твердого электролита с ионной проводимостью дополнительно поставляется. Мембрана из твердого электролита с ионной проводимостью содержит состав проводника супериона, где M представляет собой Mg, так что состав проводника супериона имеет формулу ) 3 , где каждый A и нижний индекс x определены выше.

Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания изобретения, если рассматривать его в соответствии с сопровождающими примерами и прилагаемой формулой изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Предоставляется суперионный проводник («композиция»). Как описано в настоящем документе, композиция представляет собой материал типа натриевого суперионного проводника (т.е. «NASICON»), совместимый как с ионами натрия, так и с ионами лития, т.е.взаимозаменяемо из сохраненной структуры материала. Таким образом, композиция обеспечивает фазу типа NASICON на основе натрия, которую можно использовать в качестве проводников как для натриевых, так и для литий-ионных, что позволяет использовать широкий спектр электролитных материалов, например за счет сочетания твердых электролитов на основе Na с источниками и поглотителями литий-иона. Важно отметить, что состав и связанный с ним способ приготовления, описанные ниже, представляют собой значительный прогресс по сравнению с традиционными NASICON на основе лития с аналогичным составом и структурой решетки. В то время как такие обычные материалы имеют ограниченное достижимое содержание лития и требуют высокоэнергетических/температурных условий синтеза, настоящие варианты осуществления обеспечивают повышенное содержание лития и, таким образом, более высокую собственную ионную проводимость посредством низкотемпературного пути синтеза. Таким образом, настоящие варианты осуществления обеспечивают доступный путь к новым двухионным суперионным проводящим материалам и позволяют использовать широкий диапазон стехиометрий NASICON на основе Na для литий-металлических твердотельных батарей, которые не доступны напрямую в обычных NASICON на основе лития. .

Композиция имеет общую формулу:


A 1+x M x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 A , где каждый независимо представляет собой 6 Na 3 , , , , или Li, M представляет собой Mn или Mg, а нижний индекс x составляет от 0,5 до 3. Таким образом, композиция содержит соединение металлического фосфата циркония. Конкретные переменные и варианты общей формулы и соединения(ий), представленного(ых) в ней, в свою очередь, описаны ниже и будут лучше всего понятны специалистам в данной области, принимая во внимание примерные способы и материалы, относящиеся к получению представленной композиции. здесь.

С точки зрения общей формулы следует понимать, что композиция может содержать материал типа NMZP, т.е. исходя из обозначений Na, Mn, Zr и фосфата в показанной формуле. Однако для ясности и простоты ссылок термины типа NMnZP и типа NMgZP будут использоваться для обозначения марганцевой и магниевой версий материалов по изобретению соответственно.

В некоторых вариантах осуществления, например, M представляет собой марганец (Mn), и состав может быть дополнительно определен как материал типа NMnZP, имеющий общую формулу: 2−x/2 (PO 4 ) 3 ,

, где каждый A независимо представляет собой Na или Li, а нижний индекс x начинается с 0. 5-3. Например, в некоторых таких вариантах осуществления каждый A представляет собой Na, и материал типа NMnZP имеет формулу Na 1+x Mn x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 . В других таких вариантах осуществления каждый A представляет собой Li, и материал типа NMnZP имеет формулу Li 1+x Mn x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 . Однако в некоторых вариантах осуществления каждый А выбран независимо, так что материал типа NMnZP содержит как ионы Na, так и ионы Li, и, таким образом, может быть представлен формулой (Li/Na) 1+x Mn x/ 2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 , где отношение ионов Na к ионам Li конкретно не ограничено и может быть выбрано специалистом в данной области, т.е.грамм. путем осуществления описанного здесь способа получения.

В некоторых вариантах осуществления M представляет собой магний (Mg), и состав может быть дополнительно определен как материал типа NMgZP, имеющий общую формулу: /2 (PO 4 ) 3 ,

, где каждый A независимо представляет собой Na или Li, а нижний индекс x равен от 0,5 до 3. Например, в некоторых таких вариантах осуществления каждый A представляет собой Na, а NMgZP-тип материал имеет формулу Na 1+x Mg x/2 Zr 2−x/2 (PO 4 ) 3 .В других таких вариантах осуществления каждый A представляет собой Li, и материал типа NMgZP имеет формулу Li 1+x Mn x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 . Однако в дополнительных вариантах осуществления каждый А выбран независимо, так что материал типа NMgZP содержит как ионы Na, так и ионы Li, и, таким образом, может быть представлен формулой (Li/Na) 1+x Mg x/ 2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 , где отношение ионов Na к ионам Li конкретно не ограничено и может быть выбрано специалистом в данной области техники, как описано здесь.

Как указано выше, нижний индекс x выбирается из значений от 0,5 до 3. Выбор нижнего индекса x может варьироваться, например. в зависимости от конкретного металла (например, М) и/или катиона (например, N), используемых в препарате. Например, в некоторых вариантах осуществления нижний индекс х имеет значение от 1 до 3, альтернативно от 1,5 до 3, альтернативно от 1,5 до 2. В других вариантах осуществления индекс х составляет от 0,5 до 2, альтернативно от 0,5 до 0,5 и до 1,5, альтернативно от 0,5 до 2. от 0,5 до 1. Следует понимать, что можно использовать различные варианты нижнего индекса x в зависимости от стехиометрии, используемой для приготовления композиции, которая описана и проиллюстрирована в приведенном ниже примере.В некоторых вариантах осуществления нижний индекс х выбран из 0,5, 1, 1,5 и 2.

Следует понимать, что переменные в приведенной выше общей формуле будут влиять на свойства композиции. Как правило, композиция имеет ромбоэдрическую решетчатую структуру, которая обеспечивает быстрый подвижный ионный обмен Na-Li (например, за счет перемещения между промежуточными позициями в кристаллической структуре материалов) при электрохимическом циклировании, как показано в приведенных здесь примерах. Таким образом, считается, что характеристики композиции и материалов, ее составляющих, могут быть улучшены или подобраны путем изменения размера «узких мест» между многогранниками в кристаллической структуре композиции.Эти узкие места можно модифицировать (т.е. с точки зрения размера, регулярности и т.д.) на основе компонентов, используемых при приготовлении композиции, чтобы изменить ионную проводимость композиции. Более того, ионная проводимость композиции может быть улучшена путем регулирования концентрации в ней подвижных ионов (например, Na, Li). Таким образом, выбор переменных в приведенной выше общей формуле может быть использован для придания композиции уникальных свойств.

Например, в некоторых вариантах осуществления A представляет собой Na, и композиция суперионного проводника имеет ромбоэдрическую решетчатую структуру.В некоторых таких вариантах осуществления композиция обычно имеет энергию активации от 0,1 до 0,12 эВ. В таких вариантах осуществления композиция также обычно проявляет проводимость при комнатной температуре по меньшей мере 1,54×10 -5 См см -1 для фазы на основе Mn и 5×10 -4 См см -1 для фазы на основе марганца. Фаза на основе Mg. Например, в некоторых таких вариантах осуществления нижний индекс х равен 0,5, и композиция демонстрирует проводимость при комнатной температуре по меньшей мере 1,54×10 -5 См см -1 для фазы на основе Mn и 5×10 -5 S Cm -1 для фазы на основе Mg.В других таких вариантах осуществления нижний индекс х равен по меньшей мере 1,5, а проводимость композиции при комнатной температуре составляет по меньшей мере 2,82×10 -5 См см -1 для фазы на основе Mn и 1,5×10 -4 См см -1 для фазы на основе Mg. В конкретных таких вариантах осуществления нижний индекс x равен 1,5, и композиция демонстрирует проводимость при комнатной температуре по меньшей мере 2,86×10 -5 См см -1 для фазы на основе Mn и 1,52×10 -4 См см — 1 для фазы на основе Mg.В конкретных вариантах осуществления нижний индекс x равен 1,5, и композиция демонстрирует литий-ионную проводимость при комнатной температуре, по меньшей мере, 5×10 -3 См · см -1 для фазы на основе Mn и 6 · 10 -3 См · см. −1 для фазы на основе Mg.

Дополнительные свойства и эксплуатационные характеристики композиции также могут быть определены и улучшены путем выбора составных частей (т. е. путем выбора переменных в приведенной выше общей формуле). Например, среди предыдущих вариантов осуществления композиция может иметь критическую плотность тока по отношению к металлам Na и Li вплоть до значения тока 0.32 мА см -2 (например, при использовании с пластиной толщиной 0,66 мм или эквивалентом в масштабе).

В конкретных вариантах реализации A представляет собой натрий, M представляет собой Mg, а нижний индекс x равен 0,5. В таких вариантах осуществления композиция имеет общую формулу Na 1,5 Mg 0,25 Zr 0,75 (PO 4 ) 3 . В других подобных вариантах осуществления x равно 1,5, и композиция имеет общую формулу Na2,5Mg 0,75 Zr 0,25 (PO 4 ) 3 . Поскольку металлический марганец используется стехиометрически таким же образом, как и металлический магний, описанный выше, следует понимать, что иллюстрация различных значений нижнего индекса х в целом применима к разновидностям композиций как Mn, так и Mg.

Как будет понятно из приведенных здесь примеров, композиция пригодна для использования в твердом электролите или материале твердого электролита или в качестве твердого электролита. Например, в некоторых вариантах осуществления композиция представляет собой материал типа NMnZP, указанный выше. В таких вариантах осуществления композиция может быть использована в качестве добавки в католитную композицию, т.е.грамм. для усиления ионного и электронного транспорта католита в нем. В других вариантах осуществления композиция представляет собой материал типа NMgZP, указанный выше. В таких вариантах осуществления композиция может быть использована в качестве ионопроводящей мембраны из твердого электролита. Следует понимать, что в любом из предыдущих вариантов осуществления различные конечные формы композиции можно использовать независимо или вместе (т. е. в комбинации) в твердотельной батарее.

Например, композиция может быть использована в твердотельной батарее, такой как полностью твердотельная батарея, которая также предусмотрена в настоящих вариантах осуществления и примерах в настоящем документе.Полностью твердотельная батарея может быть полностью твердотельной натрий-ионной батареей, полностью твердотельной литий-ионной батареей или полностью твердотельной гибридной литий-натрий-ионной батареей.

Также предоставляется способ приготовления композиции («способ приготовления»). Следует понимать, что саму композицию можно использовать как или в составе (например, в качестве компонента) различных форм проводящих материалов. Например, композиция может быть использована в качестве твердого электролита. В качестве альтернативы композиция может быть использована в качестве компонента твердого электрода или в качестве предшественника для приготовления композиции твердого электролита или твердого электрода. В любом из этих случаев способ получения существенно не меняется, как будет понятно специалистам в данной области.

Как правило, способ получения осуществляется посредством золь-гель процесса, т. е. путем образования коллоидного раствора/смеси компонентов в носителе, удаления носителя после формирования и обработки полученной структуры (например, путем нагревания/прокаливания/спекания , так далее.). Конкретные детали и характерные параметры этих процессов, методов и особенностей способа получения подробно описаны ниже.Как показано в данном документе, конкретный процесс способа приготовления позволяет получить композицию в виде проводника с двойным ионом Li/Na, включающего ромбоэдрическую решетчатую структуру и подвижные ионы Na + и Li + , или ионы Na + , способные к быстрому обмену. с ионами Li + .

Как правило, способ включает объединение соединения циркония, соединения натрия, соединения фосфата и соединения марганца или магния (совместно именуемые «соединения» или «компоненты») с получением смеси и последующее прокаливание смеси с получением фазы типа NASICON, содержащей подвижные ионы Na + . Способ может также включать замену по крайней мере некоторых из подвижных ионов Na + ионами Li + в фазе типа NASICON (т.е. после прокаливания/структурного образования) посредством химического или электрохимического ионного обмена с получением супериона состава проводника без существенного изменения, альтернативно, без изменения ромбоэдрической структуры решетки. Поскольку приготовленную таким образом композицию можно использовать непосредственно в качестве твердого электролита, способ можно использовать для приготовления твердого электролита, содержащего композицию.

Специалист в данной области поймет, что могут быть доступны различные формы соединений/компонентов, например, такие как их конкретные гидратированные формы, и выбор будет сделан с учетом приготовляемой смеси в целом и конкретного используемого процесса.

Что касается отдельных компонентов, примеры подходящих соединений циркония включают хлорид циркония (ZrOCL 2 ), оксинитрат циркония(IV) (ZrO(NO 3 ) 2 ), сульфат циркония(IV) (Zr( SO 4 ) 2 ), диоксид циркония (ZrO 2 ) и их комбинации. В конкретных вариантах осуществления соединение циркония представляет собой цирконилхлорид (ZrOCL 2 ).

Примеры подходящих соединений натрия включают гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na 2 CO 3 ), хлорид натрия (NaCl), оксид натрия (Na 2 O), ацетат натрия (C 2 H 3 NAO 2 ), цитрат тризодии (Na 3 C 6 H 5 o 7 ), oxalate натрия (Na 2 C 2 O 4 ), а также комбинации из этого.В конкретных вариантах осуществления соединение натрия представляет собой карбонат натрия (Na 2 CO 3 )

Примеры подходящих фосфатных соединений включают дигидрофосфат аммония (NH 4 H 2 PO 4 ), (диаммонийфосфат), NH 4 ) 2 HPO 4 ), фосфорная кислота (H 3 PO 4 ), фосфористая кислота (H 3 PO 3 ) и их комбинации. В конкретных вариантах осуществления фосфатное соединение представляет собой диаммонийфосфат ((NH 4 ) 2 HPO 4 ).

Соединение марганца или магния будет варьироваться в зависимости от типа и природы приготавливаемой композиции, то есть от того, требуется ли суперионная проводящая композиция типа NMnZP или NMgZP. В некоторых вариантах осуществления используют соединение марганца, и композицию готовят как суперионную проводящую композицию типа NMnZP. Примеры подходящих соединений марганца включают нитрат марганца (II) (Mn(NO 3 ) 2 ), хлорид марганца (II) (MnCl 2 ), сульфат марганца (II) (MnSO 4 ), марганец ( II) карбонат (MnCO 3 ) и их комбинации.В конкретных вариантах осуществления соединение марганца представляет собой нитрат марганца (II) (Mn(NO 3 ) 2 ).

В некоторых вариантах осуществления используют соединение магния, и композицию готовят в виде суперионной проводящей композиции типа NMgZP. Примеры подходящих соединений магния включают нитрат магния (Mg(NO 3 ) 2 ), хлорид магния (MgCl 2 ), сульфат магния (MgSO 4 ) и/или карбонат магния (MgCO 3 ). .В конкретных вариантах осуществления соединение магния представляет собой нитрат магния (Mg(NO 3 ) 2 ).

Что касается вышеперечисленных компонентов, следует понимать, что вместо или в дополнение к перечисленным можно использовать другие конкретные соединения. Однако каждый из компонентов будет источником соответствующего элемента (т. е. подходящие фосфатные соединения будут источником фосфатных ионов/групп), который доступен для интеграции в структуру композиции, как описано и проиллюстрировано в настоящем документе.

Обычно компоненты объединяют в присутствии носителя (т.е. растворителя), такого как вода. Например, в конкретных вариантах осуществления соединение магния или марганца смешивают с водой (т.е. носителем) для получения первой предварительной смеси, соединение циркония смешивают с водой для приготовления второй предварительной смеси, а соединение натрия и фосфатные соединения объединяют вместе в присутствии воды с получением третьей предварительной смеси. В таких вариантах осуществления первая и вторая предварительные смеси могут быть объединены вместе для приготовления основной предварительной смеси, к которой может быть добавлена ​​третья предварительная смесь (например,грамм. по каплям при перемешивании). Такие предварительные смеси будут лучше всего поняты с учетом процедур, приведенных здесь в качестве примеров, и могут быть выполнены в различных порядках добавления.

После объединения предварительных смесей для получения смеси всех компонентов способ приготовления обычно включает удаление носителя из смеси, т.е. с помощью нагревания, пониженного давления и т. д., чтобы получить сухую смесь. Например, в некоторых вариантах осуществления смесь перемешивают при повышенной температуре (например, от 70 до 90, альтернативно 80°С.) в течение времени (например, от 6 до 24, например, от 8 до 16, альтернативно 12 ч) для выпаривания растворителя из смеси. На этом этапе можно использовать колбонагреватель, горячую ванну или горячую плиту, т. е. в зависимости от размера. Сухая смесь может представлять собой порошок или другие твердые частицы в зависимости от конкретных компонентов, используемых в способе приготовления.

Следует понимать, что в дополнение к воде или вместо нее можно использовать другие растворители, включая полярные протонные и апротонные растворители, способные растворять используемые компоненты, не препятствуя образованию композиции.Например, можно использовать метанол, этанол, ацетон и т.д. Как правило, носители/растворители выбирают на основе совместимости с компонентами и легкости удаления после образования смеси, хотя для выбора подходящего носителя для использования в способе приготовления могут учитываться и другие соображения, такие как токсичность и доступность.

После удаления носителя полученную сухую смесь обычно нагревают (например, прокаливают) для сжигания остаточных летучих веществ, а затем измельчают до желаемого размера и, необязательно, прессуют в виде таблеток или гранул. В частности, способ приготовления обычно включает прокаливание (т.е. обжиг/нагрев) порошка, полученного при удалении носителя из смеси компонентов. Прокаливание особо не ограничено и может быть осуществлено любым известным способом/способом, известным в данной области техники. Например, в некоторых вариантах осуществления способ приготовления включает помещение смеси в тигель из оксида алюминия и нагревание тигля из оксида алюминия до 400°С в течение 12 часов для выжигания летучих веществ. В этих или других вариантах прокаливание включает измельчение и повторное нагревание прокаленного порошка, полученного в первом процессе прокаливания.Например, в некоторых вариантах осуществления предварительно прокаленный порошок измельчают и повторно прокаливают при 650°С в течение 48 часов (например, на открытом воздухе) с получением окончательной твердой композиции, которая затем может быть отсортирована по размеру (например, путем измельчения, измельчение и т. д.) и, необязательно, прессование в гранулы или другие стабильные формы для последующего использования. Например, в некоторых вариантах осуществления конечную твердую композицию измельчают с помощью ступки и пестика до тонкого порошка, который затем формуют в полудюймовые гранулы, которые прессуют под давлением 400 МПа в одноосном гидравлическом прессе, чтобы получить композицию. в виде незаметных гранул (т.д., зеленые гранулы). Неочищенные гранулы затем могут быть подвергнуты дальнейшей обработке, т.е. путем нагревания, придания формы, формовки и т. д. Например, в некоторых вариантах осуществления сырые гранулы спекают при 750°С в течение 48 часов в муфельной печи, чтобы получить спеченные гранулы, которые затем полируют до зеркального блеска, чтобы получить композицию, как полированные гранулы, пригодные для использования без дальнейшей обработки.

Примечательно, что указанные выше температуры обжига, повторного обжига и спекания могут отличаться от приведенных в качестве примера значений.Например, прокаливание можно проводить при температуре от 350 до 450°С, альтернативно от 375 до 425°С. Точно так же повторное прокаливание можно проводить при температуре от 600 до 700°С, альтернативно от 625 до 675°С. °С, и спекание можно проводить при температуре от 700 до 800, альтернативно от 725 до 775°С. Также могут использоваться температуры за пределами этих диапазонов, как будет понятно специалистам в данной области техники. Однако следует понимать, что для этих операций может потребоваться дополнительное время, когда выбраны более низкие температуры, и неполная обработка может быть результатом выбора слишком низкой температуры, которую можно определить с использованием методов характеризации, приведенных здесь в качестве примеров.Точно так же могут использоваться более высокие температуры, чем перечисленные. Однако преимущество компонентов и стадий способа получения заключается в том, что в способе приготовления не требуются более высокие температуры синтеза (например, -900-1100°C), необходимые для обычного прямого синтеза композиций NASICON на основе лития с ромбоэдрической симметрией. Скорее, как показано в приведенных ниже примерах, настоящие варианты осуществления предусматривают электрохимический ионный обмен с Na на Li, который не ограничен в достижимом содержании Li, как это имеет место в способах прямого синтеза.

Следующие примеры, иллюстрирующие варианты осуществления настоящего раскрытия, предназначены для иллюстрации, а не для ограничения изобретения. Если не указано иное, все реакции проводят на воздухе, а все материалы, субстраты и реагенты закупаются или получаются иным образом у различных коммерческих поставщиков и используются в том виде, в каком они были получены.

В приведенных ниже примерах материалы типа NASICON, содержащие A 1+x M x/2 Zr 2−x/2 (PO 4 ) 3 , композиции, где A представляет собой Na или Li , M представляет собой Mn или Mg, а нижний индекс x начинается с 0.5-3, подготовлены и оценены на ионную взаимозаменяемость электролитов и позволяют использовать более широкие семейства электролитных материалов за счет объединения твердого электролита на основе Na с литий-ионными источниками и поглотителями.

Как будет понятно из приведенных ниже конкретных примеров, фазы типа NASICON, содержащие повышенное содержание натрия, успешно получают с помощью золь-гель процесса с последующей термообработкой при 650°C с образованием керамического тела. Подвижный ион натрия синтезированного твердого электролита частично замещают ионом лития либо электрохимическим, либо химическим способами.В результате процесса обмена образуется фаза типа NASICON на основе лития, которая сохраняет свою кристаллическую структуру неизменной. Твердый электролит может проводить ионы натрия или ионы лития в зависимости от типа электродных материалов, которые с ним связаны, и проявляет более высокую проводимость ионов лития, а также пониженную энергию миграции ионов (т.е. энергию активации), чем обычные материалы.

Симметричные конфигурации ячеек Na/SE/Na и Li/SE/Li используются для измерения поведения натриевых и литиевых пластин и ионной проводимости приготовленных композиций.Как показано, настоящие материалы типа NASICON на основе лития демонстрируют лучшую ионную проводимость, чем материалы, синтезированные обычными способами. Кроме того, ионная проводимость настоящих электролитов на основе натрия может быть преобразована в гибридные литий-натриевые ионные проводники в полностью твердотельной батарее.

Синтез материала

Na 1+x Mn x/2 Zr 1-x/2 (PO 4 ) 3 (NMnZP) синтезирован из смеси золь-гелей методом stoigel. 2 .6H 2 O (Aldrich), Mn(NO 3 ) 2 .4H 2 O (Aldrich), Na 2 CO 3 (Aldrich) и (NH 8

8 2 HPO 4 (Aldrich, 99,99%). В частности, были подготовлены и проанализированы фазы, где индекс x=0,5, 1, 1,5 и 2. Сначала ZrOCl 2 .6H 2 O и Mn(NO 3 ) 2 .4H 2 O последовательно растворяли в деионизированной воде. Прекурсоры Na 2 CO 3 и (NH 4 ) 2 HPO 4 растворяли в деионизированной воде отдельно (по 50 мл воды для каждого). Смесь Na 2 и (NH 3 и (NH 4 и (NH 4 ) 2 HPO 4 растворы были добавлены по каплям в ZROCL 2 . 6H 2 O и MN (NO 3 ) 2 .4H 2 раствор O при постоянном перемешивании. Раствор перемешивали на горячей плите при 80°С в течение 12 ч для испарения растворителя. Полученный порошок измельчали ​​и нагревали в тигле из оксида алюминия при 400°С в течение 12 ч на воздухе для выжигания летучих веществ. Прокаленный порошок измельчали ​​и повторно прокаливали при 650°С.в течение 48 ч на воздухе для получения конечной фазы. Полученный материал растирали в ступке до мелкого порошка и использовали для изготовления гранул. Таблетки диаметром ½ дюйма прессовали под давлением 400 МПа на одноосном гидравлическом прессе. Сырые гранулы спекали при 750°С в течение 48 часов в муфельной печи. Спеченные таблетки полировали до зеркального блеска. Результирующая толщина гранул составляла 600 мкм. Таблетки использовали для дальнейших исследований без каких-либо модификаций.

Na 1+x Mg x/22 Zr 1−x/2 (PO 4 ) 3 (NMgZP) синтезирован по методике выше) с использованием Mg(NO 8 2 вместо компонента Mn(NO 3 ) 2 .В частности, были приготовлены и проанализированы фазы, где индекс x=0, 0,5, 1, 1,5, 2 и 2,5. Полученный материал сушили при 100°С. Для измерения ионной проводимости проводили спекание при 800°С в течение 12 часов на воздухе. Относительная плотность была выше 95%.

Электрохимические измерения

Золотые блокирующие электроды напыляли на поверхность гранул для измерения ионной проводимости (Cressington Sputter Coater). Ионную проводимость измеряли с помощью импедансной спектроскопии (Biologic, VSP 128) при 20°C.до 70°C для всех композиций с использованием напыленных Au-электродов. ЭИС проводили в диапазоне частот от 0,5 МГц до 1 Гц с амплитудой переменного тока 10 мВ. Полученные спектры импеданса аппроксимировали моделью эквивалентной схемы в программном обеспечении Zview для оценки общей ионной проводимости. Симметричные ячейки Li|NMZP|Li и Na|NMZP|Na были собраны в ячейки типа swagelok. В качестве электродов были пробиты фольги Li и Na толщиной 8 мм. Испытания на гальваностатическую стабильность заряда-разряда для Na|NMZP|Na симметричных ячеек проводили при плотности тока 20, 40 и 80 мкА см -2 с периодом 30 минут для покрытия и зачистки при 70°С.Для LiINMZPILi он сохранялся на уровне 40, 60 и 80 мкА·см −2 с тем же периодом для покрытия и зачистки при 70°C. спектрометр (ICP-OES, Agilent Technologies 5110). Образцы растворяли в растворе HF, а затем разбавляли 2 мас. % HNO3 для измерения ВЧД. Морфологическая характеристика исходного порошка, спеченных гранул, а также литиевой фольги, подвергшейся циклированию, была проведена с использованием сканирующего электронного микроскопа (система Zeiss Merlin).Дополнительно проводили энергодисперсионную спектроскопию образцов при энергии пучка 20 кВ. Результаты оценок ICP-OES показаны в Таблице 1 ниже.

Таблица 1 Таблица 1 Атомная концентрация композиций NMZP оценивается от ICP-OES NMZPNANZRZRPX = 0.51.510.251.703.00x = 1.02.000.531.473.00x = 1.52.490.751.243.00x = 2.03.101.030.973.00

Порошковая нейтронная дифракция была проведена на порошках типа NASICON с использованием POWGEN в источнике нейтронов расщепления в Национальной лаборатории Ок-Ридж, Ок-Ридж, Теннесси., США. Каждый образец порошка (1-2 г) загружали в ванадиевые банки диаметром 6 мм, которые затем закрывали в вентилируемом колпаке. Время сканирования для каждого образца было установлено на четыре часа. Сбор данных осуществлялся с использованием центральной длины волны 0,8 Å с шириной полосы около 1 Å. Полученные дифракционные данные нормализовали относительно ванадиевого стержня и калибровали по эталону из порошкового алмаза. Стандарт NIST Si 640d использовался в качестве внешнего калибранта для прибора. Данные времени пролета (TOF) были преобразованы в данные d-расстояния с использованием модифицированного полинома второго порядка TOF=ZERO+DIFC*d+DIFA*d2+DIFB/d, где ZERO — постоянная, DIFC — постоянная дифрактометра, DIFA и DIFB являются эмпирическими терминами для коррекции смещения пика образца и поглощения, вызванного сдвигом пика.Во время уточнения (с использованием программного обеспечения TOPAS версии 6) ZERO и DIFC определялись из уточнения с использованием стандартного NIST Si 640d, в то время как DIFA и DIFB позволяли варьировать для учета смещения/поглощения образца. Для описания профиля пика использовалась обратная экспоненциальная функция, свернутая с симметричной псевдофункцией Фойгта. Результаты порошковой нейтронной дифракции для Na 1+x Mn x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 показаны в Таблице 2 ниже.

Таблица 2 4 ) 3 НМЗП[Na—O] при M1[Na—O] при M2x = 0,56 × Na*—O = 2,56 Å2 × Na‡—O = 2,386 Å2 × Na‡—O = 2,528 Å2 × Na‡—O = 2,778 Å2 × Na‡—O = 2,895 Åx = 1,06 × Na*—O = 2,585 Å2 × Na‡—O = 2,400 Å2 × Na‡—O = 2,546 Å2 × Na‡—O = 2,772 Å2 × Na‡-O = 2,784 Åx = 1,56 × Na*-O = 2. 580 Å2 × Na‡—O = 2,449 Å2 × Na‡—O = 2,560 Å2 × Na‡—O = 2,747 Å2 × Na‡—O = 2,877 Åx = 2,06 × Na*—O = 2,583 Å2 × Na‡—O = 2,487 Å2 × Na‡–O = 2,531 Å2 × Na‡–O = 2,729 Å2 × Na‡–O = 2,918 Å

Рентгенофотоэлектронная спектроскопия была проведена на циклированной таблетке, а также на литиевой фольге. Циклическую ячейку разобрали внутри перчаточного бокса и осторожно отслоили литиевую фольгу с обеих сторон таблетки. Образцы литиевой фольги исследовали после того, как каждый из них был разбит на две части для анализа обеих сторон каждого образца.Были предприняты меры, чтобы свести к минимуму воздействие воздуха на образцы путем переноса образцов с использованием соответствующих держателей образцов с контролируемой атмосферой. Два линейных сканирования были сделаны примерно перпендикулярно друг другу. В каждой точке (всего 8 точек) проводилось обзорное сканирование в широком диапазоне энергий для определения всех присутствующих элементов. Количество Na в каждой из 8 точек анализа определяли, чтобы увидеть, были ли очевидны какие-либо «горячие точки». Места, которые показывали вышеследовые уровни Na, использовались для определения того, где установить прямоугольную сетку точек для создания «карты Na».После того, как карты были получены, на каждой карте были выбраны две точки: одна в самой высокой точке Na и одна в области с низким Na. Данные на уровне ядра в узком диапазоне энергий были получены в верхней и нижней точках. Результаты оценки рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для Na 1+x Mn x/2 Zr 2-x/2 (PO 4 ) 3 показаны в Таблице 3 ниже.

Таблица 3 ) 3 Местоположение XPSLiNaOCL1-P125.30.2132.541.5L1-P222.80.1530.845.7L1-P325.20.1534.325.9L1534.339.9L1-P425.50.9L1-P425.50.8335.837.2L1-P524.72.0739.233.6L2-P125.30.0435.138.9L2-P225.40.0533.839.5L2-P324.10.1533 .941.2

Для таблетки были получены данные о полученной поверхности (сканирование и спектры на уровне керна), затем был сделан профиль глубины в течение 20 минут травления ионами аргона, а затем обследование и керн. спектры уровня были получены на хорошо протравленной поверхности. Калиброванная скорость распыления для ионной пушки составляла ~12 нм/мин, исходя из стандартных пленок SiO 2 .Если бы гранулы распылялись с той же скоростью, травление в течение 20 минут удалило бы ~230 нм материала.

Описание экспериментальных результатов и примеров

Композиции NMnZP были синтезированы с составами, варьирующимися от x=0,5 до x=2. Композиции NMgZP были синтезированы с составами, варьирующимися от x=0 до x=2,5. Различные составы были охарактеризованы с использованием дифракции нейтронов и измерения импеданса, чтобы понять и проанализировать механизм ионной проводимости и определить оптимальную концентрацию Na для достижения максимально возможной проводимости этой структуры.

Способность материала проводить ионы Li и Na была продемонстрирована с помощью экспериментов по покрытию и зачистке симметричных ячеек LiINMnZPILi и Nal NMnZPINa. Подтверждение обмена Li-Na в этих материалах было достигнуто с помощью посмертного анализа с использованием методов SEM и XPS на циклическом электролите и литиевом электроде. Это продемонстрировало двойную (Li/Na) ионную проводимость материалов типа NASICON

Стехиометрические изменения в кристаллической структуре изменяют кинетику переноса ионов через материал.Нейтронная дифракция показала, что все составы NMnZP кристаллизуются в структуре R3C, СЭМ-микрофотография показала хорошо спеченную поверхность поверхности гранул, что свидетельствует о высокой плотности. Элементный состав синтезированных NMnZP был подтвержден измерениями оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES), показанными в таблице 1 выше, которые предполагают, что расчетные молярные отношения были достигнуты.

Структура основана на трехмерном каркасе тетраэдров [PO 4 ] и октаэдров [(Zr/Mn)O 6 ] с общими углами.Было установлено, что Zr 4+ и Mn 2+ имеют общие статистически распределенные сайты 12c на основе уточнения структуры и информации о кристаллической структуре. Подробная информация о структуре и уточнении представлена ​​в Таблице 2 выше. Средняя длина связи [(Zr/Mn)—O] в октаэдрах [(Zr/Mn)O 6 ] монотонно увеличивалась с 2,065(3) Å в Na 1,5 Mn 0,25 Zr 1,75 (PO 4 ) 3 до 2,107(13) Å в Na 3 MnZr(PO 4 ) 3 .Увеличение Na+ в структуре увеличивает отталкивание между атомами Na + и Zr 4+ /Mn 2+ , что приводит к удлинению средних длин связей [(Zr/Mn)—O] в соседних октаэдрах без изменения структурной структуры. симметрия. Более высокий радиус вращения Mn 2+ по сравнению с Zr 4+ представляет большую длину связи в октаэдрических позициях, что приводит к постепенному увеличению длины связи [(Zr/Mn)—O] от x=0,5 до x=2. Средние значения длины связи [P—O] (1,524(14) Å) близки к тем, которые обычно обнаруживаются в NASICON-подобных фосфатах в Na 3 MZr(PO 4 ) 3 .Катионы Na + частично занимают две разные позиции M1 и M2. Катионы Na + окружены 6 и 8 анионами O в позициях M1 и M2 соответственно. Na1, занимающий положение M1, находится в центре 6 анионов O , поэтому длина связи Na O постоянна во всей структуре для всех составов, как показано в таблице 3 выше.

Na + , занимающие позиции M2, немного смещены от центра, и, таким образом, длина связи различается в структуре, а также для разных составов NMnZP.Длина связи Na—O варьировала от 2,487(4) Å до 2,918(3) Å в Na 3 MnZr(PO 4 ) 3 . Длина связи [Na—O] в сайте М2 увеличивалась одновременно с концентрацией натрия в NMnZP. Увеличение содержания Na в структуре NMnZP от x=0,5 до x=2 увеличивало содержание натрия в позиции M2 и оставалось примерно постоянным в позиции M1. Длина связи [Na—O] и заполнение катионом Na позиции M2 оказывают прямое влияние на движение ионов и кинетическую энергию и, следовательно, на общую проводимость материала.

Проводимость при комнатной температуре увеличилась с 1,54×10 −5 См см −1 для NMnZP05 до 2,82×10 −5 См см −1 для NMnZP20. NMnZP15 и NMZP20 показали одинаковую проводимость при комнатной температуре. Энергии активации для всех материалов были эквивалентны (~0,1-0,12 эВ). Повышенная ионная проводимость при одинаковой энергии активации предполагает, что механизм переноса ионов для всех материалов идентичен, а увеличение связано с более высокой концентрацией подвижных носителей заряда.

Результаты дифракции показали прирост подвижных катионов Na + в позиции M2 с увеличением концентрации натрия. Следует отметить, что катионы Na + в позиции М1 способствуют поддержанию каркаса структуры и не способствуют ионной проводимости. Увеличение содержания натрия также увеличивает длину связи [Na—O] в позиции M2, что увеличивает подвижность этих ионов, что приводит к более высокой общей ионной проводимости. Заселенность позиций катионами Na + и длина связи [Na—O] в подвижной позиции М2 монотонно увеличиваются с ростом x в NMnZP.Однако общая проводимость стабилизировалась при концентрации натрия x=1,5. Это явление может быть описано дисбалансом вакансий и носителей заряда. Ограничение доступной вакансии для ионного транспорта в NMnZP20 по сравнению с NMnZP15 подавляет увеличение общей проводимости, несмотря на более высокую концентрацию подвижных носителей заряда. Na 2,5 Mn 0,75 Zr 1,25 (PO 4 ) 3 использовали для дальнейшего анализа электрохимических характеристик в качестве проводника с ионами Li и Na, поскольку он показал самую высокую проводимость.Спектры импеданса предоставили информацию о механизмах переноса ионов на уровне зерна. Две полуокружности в спектрах импеданса обозначают зерновые и зернограничные компоненты на более высоких и более низких частотах соответственно. За этими полукругами следовал элемент Варбурга, указывающий, что физические процессы, происходящие на низких частотах, представляют собой преимущественно перенос заряда и полубесконечную диффузию Na + в Au. Ионный обмен подвижного иона Na + в ромбоэдрической матрице с ионами Li + обеспечивает возможность двойного переноса ионов.Это позволило естественной Na-матрице транспортировать Li + путем замены ионов Na + из матрицы химическим или электрохимическим путем внешним резервуаром ионов Li. Насколько известно авторам, это первое в своем роде сообщение, демонстрирующее этот механизм переноса ионов.

Гальваностатическое покрытие и зачистку проводили на симметричной ячейке NalNMnZPlNa при трех различных плотностях тока: 20, 40 и 80 мкА см -2 при 70°C для симметричной ячейки Na-Na.Перенапряжение для 20 мкА см -2 составляло 0,25 В, 40 мкА см -2 составляло 0,533 В и 80 мкА см -2 составляло 1,106 В. Перенапряжения имели гладкие профили, указывающие на плоскую поверхность зачистки и осаждения. Гальваностатическое покрытие и снятие покрытия также проводили на симметричной ячейке LilNMnZPILi при трех различных плотностях тока: 40, 60 и 80 мкА см 2 при 70°C. обмен по исследуемым плотностям тока.Значения перенапряжения для 40 мкА см -2 составляют 0,39 В, 60 мкА см -2 составляют 0,55 В и 80 мкА см -2 составляют 0,777 В. Перенапряжение увеличилось на <10 мВ при более низких плотностях тока 40 и 60 мкА см -2 за 50 циклов. Это указывало на отсутствие вредных межфазных реакций. Однако при 80 мкА см -2 перенапряжение постепенно увеличивалось до отказа из-за отсечки на пределах потенциостата. Постепенное увеличение перенапряжения при более высоких плотностях тока, вероятно, связано с уменьшением контакта электрод-электролит на границе раздела Li и NMnZP, возникающим из-за ограничений массопереноса.Следует отметить, что эти измерения проводятся при отсутствии давления в пакете, которое обычно является значительным (3-10 МПа) для измерений, описанных с другими керамическими электролитами. Понятно, что оптимизация протоколов работы и испытаний для симметричной ячейки NMnZP значительно улучшит критическую плотность тока этого материала.

Стабильное циклирование в конфигурации LilNMnZPILi определяет несколько механизмов ионной проводимости. Например, подвижные катионы Na+ могут перемещаться внутри структуры, а литиевые электроды просто служат токосъемниками для создания разности потенциалов.Альтернативно, Na+ может быть вытеснен из структуры в течение первых нескольких циклов, а Li + может перемещаться в структуру в последующих циклах, используя тот же сайт M2, что и Na. Последний вариант возможен, поскольку ионные радиусы Li + (76 пм) меньше, чем у катиона Na + (102 пм), что также может улучшить общую объемную проводимость системы, поскольку меньший Li + будет иметь более высокую подвижность. в структуре Na–.

Посмертный анализ был проведен с помощью СЭМ и РФЭС на литиевой фольге и подвергнутых циклированию гранулах для оценки механизма катионного электрохимического обмена.Разобранная литиевая фольга была проанализирована на двух границах раздела: (i) интерфейс электрод-электролит (сторона 1) и (ii) интерфейс электрод-токосъемник (сторона 2). СЭМ-изображение стороны 1 показывает глобулярные отложения на поверхности покрытия, которые не наблюдаются на стороне, обращенной к токосъемнику. ЭДС-картирование стороны 1 показало наличие отложений Na на поверхности. Этот металлический Na осаждался на литиевой фольге за счет электрохимического ионного обмена Na из матрицы NMnZP на Li. Присутствие N и C можно объяснить наличием примесей Li 2 CO 3 и LiNO 3 , образующихся при подсосе воздуха в кювету или держатель образца.Важным выводом здесь было то, что металлический Na наблюдался на литиевой фольге.

XPS-характеристика была проведена в нескольких местах на большой площади литиевой фольги, чтобы подтвердить, что металлический Na был электрохимически осажден на литиевой фольге, а не являлся артефактом от разборки элемента. Профили поверхностной концентрации были нанесены на карту по двум почти перпендикулярным линиям на зацикленной литиевой фольге на границе раздела, которая находилась в контакте с NMnZP. Наличие пика Na наблюдалось во всех местах с поверхностной атомной концентрацией для Na в диапазоне от 2.07 до 0,05 ат. %, как показано в Таблице 3 выше.

На одном этапе нанесения покрытия/зачистки 0,04 мА·ч заряда было циклически пропущено при 80 мкА·см -2 , а через электролит было циклически пропущено 6,6 мА·ч заряда. Это соответствует примерно 2,97 мкмоль см -2 Na, циклически повторяющегося в каждом полупериоде, и 0,4 ммоль см -2 общего молярного потока. Для сравнения, нетронутый литиевый электрод соответствовал примерно 4 ммоль см -2 Li. Молярный поток нанесенного покрытия был значительно ниже, чем исходная поверхностная концентрация лития.Это подтвердило, что атомная концентрация, наблюдаемая с помощью XPS, свидетельствует о металлическом натриевом нанесении покрытия из матрицы NMnZP. Наличие содержания Na во всех местах карты XPS на литиевой фольге дополнительно подтверждает гипотезу о том, что ионы Li из противоэлектрода обмениваются ионами Na в матрице NMnZP, которая покрывается металлом.

Профилирование по глубине с помощью XPS для гранул, подвергшихся циклированию, было проведено для дальнейшего подтверждения ионного обмена в объеме электролита. Преобладающими элементами, наблюдаемыми на поверхности, были Na, Mn, Zr, P и O.Поверхность также показала 2,3 ат. % содержания лития помимо элементов матрицы NMnZP. Ключевым отличием с увеличением глубины от поверхности было медленное удаление Na. Li сначала резко возрастала, а затем оставалась на уровне ~11 ат. % по всему профилю. График энергии связи ясно показал снижение пиковой интенсивности пика Na 2s после травления Ar, показывая, что катионы Na + были удалены из матрицы NMnZP. Наличие и увеличение пика Li 1s при травлении Ar показывает, что катионы Li + явно заместили в структуре часть катионов Na + .Профиль глубины XPS показал, что атомы Na и Li могут сосуществовать в структуре. Это явление имело два следствия: либо все подвижные катионы Na + замещаются катионами Li + , либо механизм ионной проводимости управляется катионами Li + и Na + одновременно.

Как указано выше, композиции позволяют использовать потенциал широкого семейства одноионных Na-проводников в системах на основе лития, используя преимущества обеих систем.

Приведенное выше описание относится к текущим вариантам осуществления изобретения.Различные модификации и изменения могут быть сделаны без отхода от сущности и более широких аспектов изобретения, как они определены в прилагаемой формуле изобретения, которые должны толковаться в соответствии с принципами патентного права, включая доктрину эквивалентов. Это раскрытие представлено в иллюстративных целях и не должно интерпретироваться как исчерпывающее описание всех вариантов осуществления изобретения или как ограничение объема формулы изобретения конкретными элементами, проиллюстрированными или описанными в связи с этими вариантами осуществления.Настоящее изобретение не ограничено только теми вариантами осуществления, которые включают все эти признаки или обеспечивают все заявленные преимущества, за исключением случаев, когда иное прямо указано в выданной формуле изобретения. Любая ссылка на элементы формулы изобретения в единственном числе, например, с использованием артиклей «а», «ан», «то» или «сказанный», не должна толковаться как ограничение элемента единственным числом. Технология, раскрытая и заявленная в настоящем документе, может быть доступна для лицензирования в определенных областях использования зарегистрированным правопреемником.

недорогие инструменты для работы с оптикой

1.

ВВЕДЕНИЕ

Обеспокоенность по поводу научной неграмотности K-12 заставила многие профессиональные технические и научные организации расширить образовательные программы довузовского образования и поддержку информационно-просветительской деятельности. Объявление 2015 года Международным годом света (МГС) Организацией Объединенных Наций и другие инициативы были созданы для решения более широких вопросов, касающихся осведомленности общественности и восприятия преимуществ науки.В рамках этого призыва к действию Оптическое общество Мичиганского университета (OSUM) и Анн-Арборская секция Оптического общества (AAOSA) провели мероприятия в местных школах, а также на различных общественных мероприятиях и фестивалях. 1 Здесь мы описываем нашу попытку отреагировать на местные потребности и создать образовательную деятельность, учитывающую финансовые и технические потребности учителей, а также способную вызвать интерес к науке и технологиям.

Успехи и трудности этой работы позволили получить ценную информацию о некоторых проблемах, с которыми пришлось столкнуться при реализации этих инициатив.В частности, стали очевидны трудности, с которыми столкнулись преподаватели естественных наук в Мичигане. Практические занятия требуют непропорциональных вложений в предварительное планирование, материалы и время в классе по сравнению с другими методами обучения. Есть также сомнения в том, что стоящие научные проекты могут выходить за рамки технических знаний. Более того, практические занятия или, по крайней мере, их проведение на каждого учащегося слишком дороги для многих школ и программ.

Возникли и другие вопросы относительно эффективности информационно-просветительской деятельности и ее значения для будущих инженеров и ученых. Оптические демонстрации и короткие практические упражнения на общественных мероприятиях и фестивалях, связанных с наукой, могут быть доступны только хорошо образованной толпе, которая уже склонна к науке. Исследование, проведенное в Соединенном Королевстве, показало, что общественные и научные фестивали не охватывают должным образом разнообразную в социально-экономическом отношении аудиторию, представляющую широкую публику. 2 Мы наблюдали аналогичные опасения по поводу знакомства с наукой и технологиями среди посетителей во время информационно-просветительских мероприятий на фестивалях в Мичигане.Есть также свидетельства того, что знакомство с STEM перед университетом не влияет на успех студентов бакалавриата, которые участвовали в программах довузовской подготовки, по сравнению с теми, кто этого не делал. 3 Знакомство с формальными технологиями и прединженерными занятиями коррелировало с высокими показателями самоэффективности, что является предиктором будущих успехов в бакалавриате. Однако не было ощутимого эффекта от многодневных инженерных программ, школьных внеклассных инженерных программ, однодневных семинаров или экскурсий.

Многие члены нашего общества вспоминают личный опыт таких хобби, как робототехника, электроника, моделирование или программирование. Эти увлечения характеризуются практическим опытом, самомотивированным обучением, реальными приложениями, немедленной обратной связью и проектами, основанными на проблемах. Навыки, которые развивают эти виды увлечений, тесно связаны с успехом и настойчивостью студентов инженерных специальностей. 3 Для учащихся дошкольного возраста ранний положительный опыт в области науки и техники должен ассоциироваться с позитивным отношением к темам STEM и лучшими долгосрочными результатами.Тот факт, что хобби не занимают времени в классе и часто возникают случайно, повышает их привлекательность в качестве модели инновационной просветительской деятельности. Хобби требуют доступа к ресурсам, которых не хватает многим учащимся городских школ, включая компоненты, инструменты и социальную поддержку. Разборка может снизить большую часть экономического бремени как для формального обучения в классе, так и для занятий дома. Следовательно, мы исследовали, как превратить вековую практику мастерства в просветительский проект — получение бесплатных расходных материалов и материалов путем разборки потребительского продукта для сбора деталей и компонентов.

Несмотря на то, что количество литературы, описывающей практические занятия STEM для старшеклассников и студентов бакалавриата, постоянно растет, относительно мало информации о обратном проектировании и перепрофилировании потребительских товаров, таких как камеры, для учащихся младших классов. Мы создали и протестировали формат структурированной разборки мыльниц учащимися младших классов. Цель состояла в том, чтобы получить общее представление о практичности разборки бытовой электроники, оценить, может ли этот подход служить платформой для нескольких проектных мероприятий, и понаблюдать за реакцией студентов на нашу программу.Проект был чисто исследовательским и состоял из трех этапов: разборка предмета, исследование его компонентов и подсистем и перепрофилирование деталей и компонентов для создания чего-то нового или демонстрации какого-то научного аспекта. Мы считаем, что уникальное сочетание этих видов деятельности может предоставить учащимся безопасную практическую возможность для исследования и инструменты для работы с технологиями, а также поощрение любопытства и мотивацию к обучению.

2.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Наше исследование началось с изучения безопасности, практичности и доступности нежелательной бытовой электроники для разборки.Посещение сертифицированного предприятия по переработке отходов электроники, которое занимается ремонтом и перепродажей выброшенной электроники, было особенно полезным. Они проводят еженедельные занятия по разборке электроники для школьных групп и другие мероприятия, которые оказались чрезвычайно популярными. Затем мы организовали фокус-группу с волонтерами OSUM и проанализировали различную переработанную бытовую электронику, чтобы рассмотреть вопросы, связанные с разборкой, и провести мозговой штурм по проектам, которые могли бы быть возможны с использованием восстановленных компонентов. Видеомагнитофоны представляли интерес как предмет проекта, но были слишком громоздкими, чтобы быть практичными, и не имели оптических элементов. Портативные проигрыватели компакт-дисков, кассетные магнитофоны и электронные игрушки можно безопасно разобрать, но они содержат мало восстанавливаемых деталей, кроме двигателей, и их доступность затруднена. Мы решили использовать для этого проекта переработанные камеры «наведи и снимай», поскольку они содержат множество потенциально полезных оптических и механических компонентов, а их доступность увеличилась в последние годы с ростом популярности смартфонов.В 2014 году было подсчитано, что в домах 4 бездействовало 180 миллионов автономных цифровых камер, и наш местный переработчик электроники предполагает, что в ближайшие годы в США будет выброшено более 20 миллионов пленочных камер. Цифровые камеры удобны для разборки; однако им не хватает системы транспортировки пленки и других механизмов, которые делают пленочные камеры такими удобными для перепрофилирования проектов.

Цифровые и пленочные фотоаппараты типа «наведи и снимай» были приобретены в местных магазинах перепродажи и секонд-хэнда только в том случае, если их цена не превышала 5 долларов США.Поврежденные и сломанные камеры бесплатны и так же полезны для наших целей. Все батареи были немедленно удалены, а камеры были сохранены, чтобы позволить конденсаторам разрядиться в качестве меры предосторожности. Чтобы полностью разобрать камеру, необходим только один инструмент — прецизионная отвертка Phillips #0001. Защитные очки необходимы, так как при разборке иногда отламываются мелкие детали. Полезны бумажные тарелки и небольшие пакеты для хранения деталей во время проекта. После того, как корпус камеры снят, для отсоединения некоторых компонентов можно использовать пару кусачек — ножницы тоже подойдут, так как провода имеют относительно узкий калибр.Для проверки функциональности внутренних подсистем мы рекомендуем поставить аккумуляторную батарею на 3 В. Батарейный блок с проволочными выводами можно использовать для питания некоторых внутренних компонентов, видимых на данном этапе. В таблице 1 ниже приведены материалы, необходимые для завершения этапа разборки проекта. По нашим оценкам, один комплект для разборки, который даст одному студенту все необходимое для разборки камеры, может стоить всего 10 долларов.

Таблица 1.

Материалы и примерная общая стоимость комплекта для разборки одной камеры.

~ $ 5 0 9092
Материалы Количество Компания Источник Источник
2 Electronics Recycle Center
Защитные очки 1 $ 1 Home Depot
Phillips # 0001 Отвертка 1 $ 3 $ 3
50992 9092 1 ($ 6) Home Depot
Держатель аккумулятора AA с проволокой 1 $ 1 $ 1 $ 1 Digikey 9992
99992 Всего: $ 10 ($ 16)

Наши участники состоят из двух учеников после школы Программы добровольного обучения и наставничества, образуя две отдельные когорты. Первая группа состояла из учеников со второго по одиннадцатый классы, участвовавших в церковной программе репетиторства, а вторая группа состояла из учеников четвертого и пятого классов, которые решили участвовать в проекте, имея другие варианты деятельности. Общее время активности в среднем составило пять часов для обеих групп — первая была разбита на две сессии, а вторая была запланирована как получасовые сессии, проводимые один раз в неделю в течение 10 недель. Перед разборкой студентов спрашивали об их восприятии и знаниях в области науки и техники.Камеры были розданы каждому студенту, и им было предложено заполнить рабочие листы с указанием частей камеры, функций и того, что, по их мнению, было внутри. Было предложено разобрать камеры, чтобы изучить внутренние компоненты и узнать, как работает камера. Мы обнаружили, что вес и плотность камеры положительно коррелируют с качеством и количеством полезных деталей. Это позволило нам оценить сложность камеры и гибкость, чтобы адаптировать выбор камеры к возрасту или предполагаемому опыту каждого ученика.

В соответствии с обязательством учащихся следовать инструкциям по технике безопасности были розданы защитные очки и отвертки. Несколько волонтеров OSUM, наставник программы и иногда родители помогали учащимся ослабить винты, открыть корпус камеры и соблюдать меры предосторожности. В первой когорте несколько родителей также разобрали камеру. После снятия корпуса мы убедились, что после хранения камер цепь вспышки разрядилась, неоднократно закорачивая конденсаторы вспышки с помощью изолированной отвертки.Все части хранились на бумажных тарелках и сохранялись в пакетах Ziploc между сеансами. После снятия корпуса камеры были продемонстрированы и обсуждены примеры подсистем камеры, таких как видоискатель и моторизованный объектив. Студентам было предложено найти и удалить неповрежденные подсистемы из их камеры. Многие из этих систем просто прикручиваются к раме камеры, что делает возможным их неповрежденное удаление. Мы ввели техническую лексику, пока учащиеся продолжали извлекать и идентифицировать свои детали: светодиоды, линзы, моторы, шестерни и т. д.Аккумуляторная батарея 3 В позволяет учащимся питать системы и компоненты, чтобы понять их функции. Например, они могут запустить один или несколько двигателей постоянного тока или зажечь светодиоды, просто прикоснувшись оголенным проводом к нужным клеммам. Студентам было предложено наблюдать, размышлять, возиться и тестировать. Мы также предложили участникам разобрать подсистему, а затем попытаться собрать ее заново. Поскольку реверс-инжиниринг некоторых подсистем может включать значительное количество частей, мы предложили упаковать несвязанные части и работать с чистого листа.Даже если предмет невозможно собрать идеально, этот процесс по-прежнему является ценным опытом для учащихся.

Перерывы в сеансе, инструкции и действия по перепрофилированию разбили процесс разборки на короткие промежутки времени. Были сформулированы краткие лекции, чтобы представить научные концепции, связанные с компонентами камеры, которые изучали студенты. После того, как определенные компоненты были извлечены, студенты, как правило, естественно исследовали предметы. Разборка также была приостановлена, чтобы позволить учащимся проявить творческий подход и попытаться построить что-то новое из восстановленных деталей.Примеры перепрофилирования идей и строительных проектов можно найти в следующем разделе.

Наконец, по завершении проекта учащимся было разрешено оставить свои компоненты, аккумулятор и проекты, которые они построили. Это требовало, чтобы каждый родитель был снабжен предупреждением с указанием некоторых рисков, связанных с этим, особенно с младшими братьями и сестрами, проглатывающими мелкие детали, опасностями батареи и т. д. Мы считаем, что компоненты, которые можно взять домой, имеют решающее значение для учащихся, которые пересматривают свой опыт, надеемся, вспоминая материал урока, и заниматься самостоятельным мастерством.Приблизительно 70% студентов решили забрать домой свои компоненты, и все решили оставить свои индивидуальные конструкции. Список всех полезных подсистем вместе с описанием и возможными действиями по проекту можно найти в Таблице 2 на следующих страницах.

Таблица 2.

Список подсистем камер, описания и действия по проекту.

Деталь Описание Проектная деятельность
Вариообъектив Моторизованный телескопический геликоидный механизм, содержащий несколько линз, механизм затвора и ирисовой диафрагмы.Для внутреннего фокуса обычно используется мотор-редуктор или электромагнитный привод. Аккумулятор Touch 3V ведет к клеммам двигателя для выдвижения линзы, обратные выводы для втягивания. Используйте как есть или извлеките компоненты. Для разборки нанесите установочные метки на геликоиды и положите детали на чистую бумажную тарелку, чтобы облегчить повторную сборку.
Внутренние линзы Зум-объектив содержит несколько линз в пластиковых стопорных кольцах внутри трубчатого корпуса. Очень качественные лупы. После извлечения из механизма масштабирования/фокусировки внутренние линзы можно осмотреть визуально и использовать в качестве микроскопа для мобильного телефона или для изготовления камеры-обскуры.
Видоискатель Часто простой телескоп с возможностью масштабирования. Наиболее распространены устройства с двумя линзами, но некоторые из них могут быть сконфигурированы как перископы с зеркалами или призмами. Блок вытяжки не поврежден, так как механизмом можно управлять вручную с помощью одного или нескольких рычагов управления. Эта подсистема может быть полезна для обратного инжиниринга, поскольку устройство имеет относительно небольшое количество простых частей.
Зубчатая передача Используется для подачи и перемотки пленки, управления выдвижением объектива и других функций. Металлическая или пластиковая пластина в нижней части этой камеры была удалена, чтобы открыть механизмы транспортировки пленки. Следует внимательно изучить зубчатую передачу и механику после снятия корпуса, поскольку шестерни не закреплены на месте. Сложность сборки от средней до высокой из-за ненадежного расположения мелких деталей.
Вспышка Обычно находится в верхнем углу корпуса камеры.Большой конденсатор хранит заряд от батареи, которая производит высокое напряжение. Обязательно убедитесь, что конденсатор разряжен, если во время разборки устройство остается на камере. Разрядите конденсатор и сохраните импульсную лампу для детектора статического электричества. Доброволец может аккуратно зарядить конденсатор и продемонстрировать вспышку.

Таблица 2.

(продолжение) Список подсистем камер, описания и действия по проекту.

Деталь Описание Проектная деятельность
Линзы Френеля Устанавливаются перед вспышкой и иногда приклеиваются к корпусу камеры.Функции концентрации и равномерного рассеивания света вспышки в прямом направлении для освещения снимаемой сцены. Можно осматривать с помощью маломощной лазерной указки или использовать в качестве низкокачественной лупы или телескопа, предметов искусства и украшения в деятельности по перепрофилированию.
Двигатели постоянного тока Обычно 3 В и ~1800 об/мин. Самый большой мотор используется для транспортировки и намотки пленки. Моторы могут быть спрятаны в катушке с пленкой или прикреплены к зубчатой ​​передаче в корпусе камеры.Большинство камер содержат как минимум 2 мотора. Функцию двигателя можно проверить, подав на него питание перед снятием: прикоснитесь к проводам аккумулятора или опорам двигателя. Также интересно запускать моторы самостоятельно. Их можно использовать для нескольких видов перепрофилирования, включая мусороботов, гиророботов и мотор-генераторов.
Мотор-редукторы и редукторы скорости Некоторые камеры имеют редукторы скорости или мотор-редуктор, который можно извлечь как единое целое. Отличный предмет для реверс-инжиниринга благодаря небольшому количеству деталей.Содержите детали на чистой бумажной тарелке. Средний уровень сложности сборки.
ЖК-экран Крепится к печатной плате в верхней части камеры и используется для внешнего дисплея и управления устройством. Различные сегменты ЖК-панели могут отображаться случайным образом, если провести проводами батареи через электрические контакты на печатной плате или ленточные разъемы.
Светодиоды Используются для различных внешних световых индикаторов. Светодиоды можно зажечь, подключив провода аккумулятора к нужным проводам или контактам на печатной плате.Обратите внимание, что полярность важна.
Соленоид Прикрепляется к механизму затвора или диафрагме. Через обмотанные провода проходит электрический ток, который создает магнитное поле, вызывающее срабатывание затвора. Может использоваться для демонстрации работы электромагнита путем присоединения выводов батареи к концам проводов на соленоиде или проводниках. Электромагнит может притягивать и удерживать скрепки или скобы.

Таблица 2.

(продолжение) Список подсистем камер, описания и действия по проекту.

Электромагнитный активатор Находится внутри телескопических линз. Электромагнитный привод использует соленоид для регулировки фокуса на некоторых камерах. Механизм фокусировки объектива можно продемонстрировать, включив соленоид. Важно снять привод с прикрепленными ленточными проводниками.
Разные детали При разборке камеры и ее компонентов накапливаются различные бракованные детали.Существует широкий спектр материалов. Утилизируйте печатные платы из-за возможного присутствия опасных материалов. Детали можно собирать, сортировать и взвешивать, чтобы исследовать проблемы с электронными отходами. Свободные детали пригодятся для художественных проектов и украшения мусороботов.

3.

КОНСТРУКТИВНЫЕ РАБОТЫ

На этапе разборки мы сочли полезным время от времени представлять простые строительные проекты. После удаления подсистемы или компонента и краткого урока учащиеся могут использовать то, что они узнали о функциях каждой части, для создания чего-то нового.Разработка проектов повторной сборки с доступными деталями оказалась самой сложной частью проекта. Мозговой штурм и творческий вклад волонтеров OSUM во время фокус-группы и на протяжении всего проекта были чрезвычайно полезны в этой задаче. Самая простая идея проекта по перепрофилированию, которую мы придумали, — это использование деталей из отходов для искусства или создание небольших схем животных путем склеивания частей вместе. Это больше всего подходит для младшей возрастной группы и хорошо выполняется учащимися второго класса.Цепных животных можно поднять на новый уровень сложности, добавив двигатель и аккумулятор практически к любому легкому предмету домашнего обихода, чтобы создать вибрирующее существо, которое мы называем мусороботом. Примеры кругового животного и мусорного робота можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1.

Два круговых животных (слева и справа) и вибрирующий мусорный робот (в центре).

Внутренние линзы в механизме телескопического зума камеры высокого качества и хорошо функционируют, чтобы просто обучать студентов работе с линзами.Помимо изучения линз на глаз, их также можно использовать для создания простого микроскопа, прикрепив его к небольшой камере или мобильному телефону с помощью резинок. Микроскоп мобильного телефона, а также пример фотографии, сделанной с помощью этого устройства, можно увидеть на рис. 2. Студентам понравилась возможность более внимательно изучить компоненты разобранных камер, и они были очарованы сложными деталями схем.

Рис 2.

Микроскоп для мобильного телефона, сделанный из объектива внутренней камеры (слева), и пример изображения печатной платы, снятого с разобранной камеры (справа).

Упомянутые выше линзы также можно использовать для изготовления простой камеры-обскуры из цветной бумаги, вощеной бумаги и скотча. Этот проект — отличный способ помочь учащимся лучше понять, как работают объективы и как камера изображает сцену. Учащиеся должны определить фокусное расстояние линзы и убедиться, что цветная бумага обрезана так, чтобы ее можно было свернуть в трубку высотой, равной фокусному расстоянию. На вощеной бумаге обводится круг, вырезается и приклеивается к концу трубки.Поместив «экран» точно в фокальную плоскость своей камеры-обскуры, учащийся может получить четкое изображение, показанное на рис. 3.

вощеная бумага «экран» для просмотра изображения (справа).

Мы рассмотрели возможность создания детектора статического электричества с использованием вспышки камеры. После снятия внешнего корпуса камеры доступ к вспышке становится легким.Узел лампы-вспышки отсоединяется простым перерезанием проводов, которые соединяют его с печатной платой, оставляя некоторый отрезок провода прикрепленным к обоим концам лампы-вспышки. С проводов снята изоляция, чтобы обнажить жилы. Если один из проводов был сломан во время разборки, алюминиевая фольга может быть закреплена сбоку сборки, которая будет выполнять роль проводника. Удерживая один конец лампы-вспышки за фольгу или проволоку, можно генерировать статическое электричество, идя по ковру, потирая шерстяной свитер или воздушный шарик.Теперь, чтобы высвободить накопившийся заряд, замкните цепь, прикоснувшись другим проводом, подключенным к лампе-вспышке, к другому объекту. Трубка ненадолго загорится и хотя вспышка слабая, ее можно будет наблюдать в затемненном помещении. Чем больше накоплено заряда, тем ярче будет вспышка. Изображение «детектора статического электричества» можно увидеть на Рисунке 4.

Рис. 4.

Детектор статического электричества с использованием фотовспышки.

Более сложные занятия вращались вокруг обсуждения энергии, двигателей и электромагнитов.Эти проекты больше подходят для учащихся среднего школьного возраста и предназначены для обучения их различным формам энергии и способам преобразования или использования энергии. В дополнение к созданию вибрирующих мусороботов с двигателями, их можно модернизировать до гироскопических ботов, которые используют для передвижения гироскопический крутящий момент от вращающегося компакт-диска (рис. 5, слева). Их также можно использовать для создания простого двигателя-генератора с использованием аккумуляторной батареи и двух двигателей, соединенных пластиковой соломинкой для питания светодиода (рис. 5, в центре). Наконец, для самых продвинутых студентов мы работали с ними над созданием биполярного двигателя постоянного тока 5 для дальнейшего изучения электромагнетизма (рис. 5, справа).Все электрические соединения выполняются простым скручиванием проводов.

Рис. 5.

Робот-гироход, сделанный из мотора, прикреплённого к компакт-диску (слева), простого мотор-генератора, питающего светодиод (в центре), и биполярного мотора постоянного тока 5 демонстрация электромагнитной силы (справа).

4.

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Самая большая проблема безопасности при разборке камеры – это конденсатор, который используется для питания вспышки. Он производит болевой шок и должен быть разряжен перед разборкой.Кроме того, важно признать, что существует множество проблем безопасности, связанных со всеми практическими технологическими действиями. Батарейки, мелкие детали и компоненты представляют собой опасность ожога, удушья или отравления для маленьких детей. Печатные платы и их компоненты не используются из-за возможного наличия опасных материалов. Пружины и другие мелкие детали могут быть сломаны во время разборки и могут привести к повреждению глаз, если не надеты защитные очки. Мы направили родителям письменное предупреждение об этих и других проблемах безопасности.

5.

ВЫВОДЫ

Мы обнаружили, что разборка ненужных (и даже сломанных) камер является захватывающим и увлекательным занятием, легко выполняемым учащимися начальных классов. Для начала разборки не требовалось минимальной подготовки и никакого понимания технологии камеры. Волонтеры, инструкторы и родители, не являющиеся техническими специалистами, могли быстро учиться и направлять по мере продвижения деятельности. Одной из тем для включения в будущем может быть растущая проблема электронных отходов и электронного велосипеда, возможно, привлечение студентов к исследованию состава перерабатываемых материалов в ненужной электронике.Во время разборки все участники оказались сосредоточенными и вовлеченными в происходящее. Мальчики и девочки одинаково хорошо разбираются в процессе разборки, что свидетельствует об отсутствии гендерных различий в способностях в этом возрасте. Студенты могли работать в своем собственном темпе, и мы могли регулировать интенсивность деятельности, распределяя более или менее сложные камеры, адаптируя планы уроков и выбирая соответствующие проекты по перепрофилированию. Рабочие листы были полезны для расширения словарного запаса учащихся и понимания научных концепций, а также для продумывания функций камеры и компонентов.Однако во время уроков мы заметили, что учащиеся, которые сами заявили об отсутствии интереса к науке, как правило, были менее заинтересованы и внимательны во время этой части деятельности. Несмотря на это, около 90% студентов сказали, что в целом проект им понравился. Похоже, что положительный опыт работы с наукой и технологиями в юном возрасте может мотивировать учащихся заниматься этими темами в классе и преуспевать в них. Поскольку в этом проекте изучалась только возможность разборки и перепрофилирования занятий, в будущей работе необходимо будет рассмотреть конкретные результаты и эффективность работы в классе.Запрограммированная разборка ненужных камер представляется захватывающим и недорогим методом ознакомления молодых студентов с областями STEM, что позволяет проводить ряд проектных мероприятий и получать опыт в процессе исследования. При соблюдении мер предосторожности разборка и перепрофилирование ненужных камер типа «наведи и снимай» приводит к созданию сложных компонентов, позволяет проводить практические исследования и ремонт и является потенциально полезным подходом в научно-техническом образовании.

Мы приветствуем все мысли и отзывы по этому проекту — идеи новых элементов для разборки, перепрофилирование проектов и общие комментарии о проекте.Для отправки отзывов можно использовать дискуссионный форум в нижней части веб-страницы проекта, http://opticsumich.com/outreach/projects/disassembly.

Благодарности

Благодарности: Авторы хотели бы выразить признательность Международному обществу оптики и фотоники (SPIE) и Оптическому обществу (OSA) за их финансовую поддержку этой деятельности. Они также хотели бы поблагодарить всех добровольцев из Общества оптики Мичиганского университета (OSUM) и секции OSA в Анн-Арборе (AAOSA).Кроме того, спасибо волонтерам церкви Саутсайд в Джексоне и Центра соседства мира в Анн-Арборе, которые позволили нам внедрить этот проект в их внеклассные программы. И отдельное спасибо всем участникам проекта за привнесение любопытства, творчества и азарта во все мероприятия.

ССЫЛКИ

Сала, А. Л., Дрейер, Э. Ф., Аку-Лех, К., Джонс, Т., Нис, Дж. А., и Смит, А., «Празднование Международного года света в Мичигане», в области оптического образования и информационно-пропагандистской деятельности IV, 994602 (2016).https://doi.org/10.1117/12.2236490 Академия Google Кеннеди, Э. Б., Дженсен, Э. А., и Вербеке, М., «Проповедь обращенным в науку: оценка инклюзивности в аудитории фестиваля науки», Международный журнал научного образования, часть B, 8 (1), 14 –21 (2018). https://doi.org/10.1080/21548455.2017.1371356 Академия Google Ахонен, Т. Т., «Телефонная книга Томи Ахонена — Статистический обзор индустрии мобильных телефонов», , (2014). Google ученый

%PDF-1.7 % 2 0 объект > /Метаданные 4 0 R /Страницы 5 0 Р /StructTreeRoot 6 0 R /Тип /Каталог /ViewerPreferences 7 0 Ч >> эндообъект 4 0 объект > поток Microsoft® Word для Office 365C_UnrestrictedMicrosoft® Word для Office 3652019-04-18T12:13:27+02:002019-04-29T12:02:57+02:00uuid:2B0EE4D2-94A4-4D1E-B6B1-CF7EFB5A5103uuid:2B04EA4D2- 4D1E-B6B1-CF7EFB5A5103

  • Т/крышка
  • конечный поток эндообъект 33 0 объект > поток x[Mo8 Q*`O( f`{z:k`[email protected]}v 84g/q»7yo3閷cɏ?v]=Ͱl}eO¥ɚ|&’|j~86&odf8kp]2*ǕOg47WbU/NjaA!93`{fl

    Seite nicht gefunden | Швейцария

    *

    Земля * Ihr LandAfghanistanÄgyptenÅland IslandsAlbanienAlgerienAmerikanisch-OzeanienAmerikanisch-SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarktisAntigua унд BarbudaÄquatorialguineaArgentinienArmenienArubaAserbaidschanÄthiopienAustralienBahamasBahrainBangladeschBarbadosBelgienBelizeBeninBermudaBhutanBolivienBonaire, Синт-Эстатиус и SabaBosnien унд HerzegowinaBotswanaBouvetinselBrasilienBritisches Territorium им Indischen OzeanBruneiBulgarienBurkina FasoBurundiChileChinaCookinselnCosta RicaCôte d’IvoireCuraçaoDänemarkDemokratische Republik KongoDeutschlandDominicaDominikanische RepublikDschibutiEl SalvadorEquadorEritreaEstlandFalklandinselnFäröerFidschiFinnlandFrankreichFranzösische Süd- унд AntarktisgebieteFranzösisch-GuayanaFranzösisch-PolynesienGabunGambiaGeorgienGhanaGibraltarGrenadaGriechenlandGrönlandGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard-унд Макдональд-InselnHondurasHong KongIndienIndonesienIrakIranIrlandIslandIsle из ManIsraelItalienJamaikaJapanJemenJerseyJordanienKaimani nselnKambodschaKamerunKanadaKap VerdeKasachstanKatarKeniaKirgisistanKiribatiKokosinselnKolumbienKomorenKroatienKubaKuwaitLaosLesothoLettlandLibanonLiberiaLibyenLiechtensteinLitauenLuxemburgMacaoMadagaskarMalawiMalaysiaMaledivenMaliMaltaMarokkoMarshallinselnMartiniqueMauretanienMauritiusMayotteMazedonienMexikoMikronesienMoldavienMonacoMongoleiMontenegroMontserratMosambikMyanmarNamibiaNauruNepalNeukaledonienNeuseelandNicaraguaNiederlandeNigerNigeriaNiueNordkoreaNördliche MarianenNorfolkinselNorwegenOmanÖsterreichPakistanPalästinensische GebietePalauPanamaPapua-NeuguineaParaguayPeruPhilippinenPitcairnPolenPortugalPuerto RicoRepublik KongoRepublik SaharaRéunionRuandaRumänienRusslandSaint-BarthélemySaint Елены, Вознесения и Тристан-да-CunhaSaint MartinSaint-Pierre унд MiquelonSalomonenSambiaSamoaSan MarinoSão Томе и PríncipeSaudi-ArabienSchwedenSchweizSenegalSerbienSeychellenSierra LeoneSimbabweSingapurSint Мартен (нидерландский часть) SlowakeiSlowenienSomaliaSouth SudanSpanienSpitzbergen унд Ja n MayenШри-ЛанкаSt. Китс и НевисSt. Люсия Св. Винсент и умереть GrenadinenSüdafrikaSudanSüdgeorgien унд умереть Südlichen SandwichinselnSüdkoreaSurinamSwasilandSyrienTadschikistanTaiwanTansaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad унд TobagoTschadTschechische RepublikTunesienTürkeiTurkmenistanTurks- унд CaicosinselnTuvaluUgandaUkraineUngarnUruguayUsbekistanVanuatuVatikanVenezuelaVereinigte Arabische EmirateVereinigtes KönigreichVereinigte StaatenVietnamVirgin острова, BritishVirgin острова, U.S.Wallis унд FutunaWeihnachtsinselWeißrusslandZentralafrikanische RepublikZypern

    Адрес электронной почты *

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.