Определение. Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными.

Вывод. Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Работа с учебником: найти определение магнитного поля, прочитать, записать в тетрадь, рассказать соседу.

2. Будет ли отклоняться второй проводник, если выключить ток в первом проводнике? (Продемонстрировать)
3. Будет ли действовать магнитное поле на проводник без тока? (Продемонстрировать)
4. Что может служить индикатором магнитного поля?
5. Будет ли отклоняться магнитная стрелка вблизи проводника, если по нему пропускать ток?

Сообщение студента (Приложение 1)

Работа в группах.

Задание 1. Повторить опыт Эрстеда.
Задание 2.Взаимодействие постоянных магнитов.
Задание 3. Взаимодействие витка с током и постоянным магнитом.
Задание 4 Взаимодействие катушек с током, направленным в одну сторону.
Задание 5. Взаимодействие витков с током, направленным в разные стороны.

Отчет групп.

Вывод. Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле. Обнаруживается магнитное поле по действию на электрический ток.

Проблема: Каковы свойства магнитного поля?

Беседа, в результате которой получаем:

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).
3. Магнитное поле непрерывно и неограниченно.
4. Магнитное поле существует реально и не зависит от нашего сознания.
5. Действие магнитного поля может быть больше или меньше.
6. Магнитное поле зависит от силы и направления электрического тока.

Следовательно, магнитное поле должно характеризоваться некоторой векторной величиной.

Проблема. Какая величина является характеристикой магнитного поля?

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Условились считать, что вектор магнитной индукции в произвольной точке поля совпадает по направлению с силой, которая действует на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля. Сила, действующая со стороны магнитного поля на южный полюс стрелки, направлена в сторону противоположную вектору . Следовательно, в магнитном поле на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее таким образом, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля, т.е. с вектором .

Магнитные поля, в каждой точке которых действуют одинаковые по величине и направлению магнитные силы, называют однородными.

Вывод. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Магнитные поля могут быть однородными и неоднородными.

Эксперимент (приборы на столах)

1. Вокруг проводника с током расположите несколько магнитных стрелок, включить ток. Как расположились стрелки?
2. Измените направление тока. Как расположились стрелки?
3. Сделать вывод.

Работа с учебником. Как определить направление вектора магнитной индукции?

Формулировка правила буравчика. (записать в тетрадь )

Проблема. Электрическое поле можно изобразить графически. А магнитное поле?

Вводится понятие линий магнитной индукции.

Виртуальная лабораторная работа “Наблюдение силовых линий магнитного поля”.

Цель работы: Изучить расположение силовых линий магнитного поля прямого тока, кругового тока, соленоида.

Выполнение работы:

1. Работа с “Открытой физикой”.
2. Тема: “Электричество и магнетизм”.
3. Открыть модели: “Магнитное поле прямого тока”, “Магнитное поле кругового витка с током”, “Магнитное поле соленоида”.
4. Для каждой модели зарисовать картинку с силовыми линиями магнитного поля.
5. Изменить направление тока (сделать его отрицательным). Что изменилось?
6. Сделать выводы по работе. Особенности линий магнитной индукции.

Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками.

Работа в группах.

1. Магнитное поле полосового магнита.
2. Магнитное поле подковообразного магнита.

Отчет групп (готовят заранее слайды для презентации).

Понятие вихревого поля.

Вывод. Магнитные поля графически изображается линиями индукции. Линии индукции магнитного поля реально не существуют. Это удобная графическая модель характеристики направления сил магнитного поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Силовые линии однородного магнитного поля параллельны друг другу, а количество силовых линий через единичную площадку в любой области поля одинаково.

Какие это поля?

Ответ студентов. Чем они отличаются от однородного?

Решить задачи (Закрепить знание правила буравчика и применение этого правила).

1. По проводу идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? в точку С?

2)

Вывод. Итак, мы научились находить направление вектора магнитной индукции. Надо научиться определять модуль В.

Проблема. Выяснить экспериментально, от чего зависит сила действующая на проводник с током в магнитном поле.

Установка на рис. 136 Физика – 10. Г. Я. Мякишев

Выясняем, что

— сила достигает максимального значения, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику;

—  F_max ~ I

— не зависит ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника.

В =

Работа с учебником. Найти определение модуля вектора магнитной индукции, прочитать, записать в тетрадь и рассказать соседу.

Вывод. В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током

IV. Закрепление материала.

I. Разбор вопросов (для сравнения электростатического и магнитного полей):

1) Что является источником:

а) электростатического поля? (электрические заряды)
б) магнитного поля? (движущиеся электрические заряды – электрический ток)

2) При помощи чего передается взаимодействие:

а) электрических токов? (магнитным полем одного тока на другой ток; магнитными силами)
б) электрических зарядов? (электрическим полем одного заряда на другой заряд; электрическими силами)

3) Что является индикатором:

а) электростатического поля? (электрические заряды)
б) магнитного поля? (движущиеся электрические заряды – электрический ток)

4) Можно ли разрезать магнит так, чтобы один из полученных магнитов имел только северный полюс, а другой только южный?

5) В романе Жюля Верна “Пятнадцатилетний капитан” подлый Негоро один компас разбивает, а под другой подкладывает топор. А почему бы ему не разбить оба? И топор подложить нужно было умеючи, не так ли? Почему?

II. Решение задач.

1. Проводник, активная длина которого 0,3 м, находится в однородном магнитном поле перпендикулярно его линиям индукции. Определить индукцию магнитного поля, если оно, взаимодействуя с магнитным полем тока, выталкивает проводник с силой 1,2 Н, когда по нему проходит ток 4А (на доске с полным объяснением).

Самостоятельная работа.

I вариант

По проводнику длиной 45 см протекает ток силой 20 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещен проводник, если на проводник действует сила 9мН?

II вариант

Определите модуль силы, действующей на проводник с током длиной 20 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,13 Тл.

V. Обобщение и подведение итогов урока. Мы сегодня с вами изучили Магнитное поле (пишем на доске в овале, напротив каждой стрелки – свойства, характеристики, т.е. составляем кластер “Магнитное поле”.

Итак, что же представляет собой магнитное поле? Магнитное поле- – это особый вид материи, о котором мы судим по его проявлению. Важнейшим свойством магнитного поля является его способность действовать с силой на проводник с током или движущиеся заряды. Природа магнитного поля до сих пор не раскрыта, но вот его свойства давно установлены и этими свойствами пользуются для решения различных задач.

VI. Домашнее задание: 11.2, заполнить таблицу “Сравнительная характеристика электрических и магнитных полей” (начата при изучении электрического поля).

Подготовить сообщения: “История развития магнетизма”, “Магнитное поле земли” (желательно с презентацией).

Магнитное поле и его характеристики

| на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | электричество и электромагнетизм |

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Опыт показывает, что, подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с ориен­тацией магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (это явление впервые обнаружено датским физиком X. Эрстедом (1777—1851)).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Опыт показы­вает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.

Подобно тому, как при исследовании электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве определяется направлением нормали к контуру. Направление нормали определяется правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направ­лении тока, текущего в рамке (рис. 160).

Опыты показывают, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Этот результат используется для выбора направления магнитного поля. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке (рис. 161). За направление магнитного поля может быть также принято направление, совпадающее с направлением силы, которая действует на север­ный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку. Так как оба полюса магнитной стрелки лежат в близких точках поля, то силы, действующее на оба полюса, равны друг другу. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля.

Рамкой с током можно воспользоваться также и для количественного описания магнитного поля. Так как рамка с током испытывает ориентирующее действие поля, то на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки и определяется формулой

                                                 (109.1)

где p_m — вектор магнитного момента рамки с током (В — вектор магнитной индукции, количественная характеристика магнитного поля). Для плоского контура с током I

                                                      (109.2)

где S — площадь поверхности контура (рамки), n — единичный вектор нормали к поверхности рамки. Направление р_m совпадает, таким образом, с направлением положительной нормали.

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, однако отношение М_max/р_m (М_max — максимальный вращающий момент) для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией:

Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным момен­том, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля. Следует отметить, что вектор В может быть выведен также из закона Ампера и из выражения для силы Лоренца.

Так как магнитное поле является силовым, то его, по аналогии с электрическим, изображают с помощью линий магнитной индукции — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В. Их направление задается правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции можно «проявить» с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким магнит­ным стрелкам. На рис. 162, а показаны линии магнитной индукции поля кругового тока, на рис. 162, б — линии магнитной индукции поля соленоида (соленоид — равномерно намотанная на цилиндрическую поверхность проволочная спираль, по которой течет электрический ток).

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных).

На ряс. 163 изображены линии магнитной индукции полосового магнита; они выходят из северного полюса и входят в южный. Вначале казалось, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электростатического поля и полюсы магнитов играют роль магнитных «зарядов» (магнитных монополей). Опыты показали, что, разрезая магнит на части, его полюсы разделять нельзя, т. е. в отличие от электрических зарядов свободные магнитные «заряды» не существуют, поэтому линии магнитной индукции не могут обрываться на полюсах. В дальнейшем было установлено, что внутри полосовых магнитов имеется магнитное поле, аналогичное полю внутри соленоида, и линии магнитной индукции этого магнитного поля являются продолжением линий магнитной индукции вне магнита. Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля постоянных магнитов являются также замкнутыми.

До сих пор мы рассматривали макроскопические токи, текущие в проводниках. Однако, согласно предположению французского физика А. Ампера (1775—1836), в лю­бом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т. е. при одном и том же токе и прочих равных условиях вектор В в различных средах будет иметь разные значения.

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности Н. Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением:

где m₀ — магнитная постоянная, m — безразмерная величина — магнитная проницае­мость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков Н усаливается за счет поля микротоков среды.

Сравнивая векторные характеристики электростатического (Е и D) и магнитного (В и Н) полей, укажем, что аналогом вектора напряженности электростатического поля Е является вектор магнитной индукции В, так как векторы Е и В определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды. Аналогом вектора электрического смещения D является вектор напряженности Н магнитного поля.

Магнитное поле и его характеристики

1. Магнитное поле и его характеристики

2. 1. Магнитное поле-это одна из двух сторон электромагнитного поля, она проявляется в силовом воздействии на движущуюся

3. Магнитные линии невидимы, увидеть их можно с помощью железных стружек.

4. Правило буравчика

5. 2.Характеристики магнитного поля

6. Магнитная индукция – это векторная величина, показывающая с какой силой действует магнитное поле на движущийся заряд.

7. Магнитная проницаемость среды – это величина, отражающая магнитные свойства среды, в которой находится магнитное поле.

8. Напряженность магнитного поля- векторная величина, которая зависит только от тока, создающего магнитное поле.

9. Магнитный поток- это величина, равная произведению нормали вектора магнитной индукции на площадь площадки.

10. Магнитное напряжение- это величина, равная произведению напряженности магнитного поля на длину участка магнитной линии.

11. Магнитодвижущая сила – это величина, равная магнитному напряжению, взятому по всей длине магнитной линии.

12. 3. Закон полного тока: « МДС вдоль замкнутого контура равна полному току, который пронизывает этот контур.»

13. Опрос по теме «характеристики магнитного поля»

Статические магнитные поля (0 Гц)

Характеристики поля и его использование

Статические магнитные поля — это постоянные поля, которые не меняют свою интенсивность или направление с течением времени, в отличие от переменных полей низкой и высокой частоты. Следовательно, они имеют частоту 0 Гц. Они оказывают притягивающую силу на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт, поэтому для этой цели обычно используются магниты. В природе геомагнитное поле Земли действует с юга на север, что позволяет, например, работать с компасом.Гораздо более сильные поля создаются некоторыми типами промышленного и медицинского оборудования, например, устройствами для медицинской резонансной томографии (МРТ).

Сила статического магнитного потока выражается в теслах (Тл) или в некоторых странах в гауссах (Гс). Сила естественного геомагнитного поля варьируется от 30 до 70 мкТл (1 мкТл составляет 10 ^-6 Тл). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 ^-3 Тл). Напротив, поля оборудования МРТ варьируются от 1 до 1.От 5 до 10 т.

Воздействие статических магнитных полей на тело и последствия для здоровья

Существует несколько известных механизмов, с помощью которых статические магнитные поля могут влиять на биологические системы. Магнитные поля действуют не только на металлические предметы, но и на движущиеся электрические заряды. Что касается биологического функционирования, воздействие статических магнитных полей будет влиять на электрически заряженные частицы и клетки в крови при движении через это поле.Магнитная сила может ускорять или уменьшать движение восприимчивых частиц. Примером может служить снижение скорости прохождения кровяных клеток по кровеносным сосудам. Еще один механизм — через сложные электронные взаимодействия, которые могут влиять на скорость конкретных химических реакций.

Только когда люди подвергаются воздействию сильных магнитных полей, таких как те, которые генерируются оборудованием МРТ, или в некоторых специализированных исследовательских учреждениях, могут возникать ощутимые воздействия на человеческий организм. Поля напряжением 2–3 Тл и выше могут вызывать преходящие ощущения, такие как головокружение и тошнота.Они возникают в результате генерации небольших электрических токов в балансирующем органе уха. Токи генерируют сигналы в мозг, которые предоставляют информацию, отличную от информации, получаемой через зрение, что приводит к ощущениям головокружения и тошноты. Эти эффекты сами по себе не являются неблагоприятными для здоровья, но они могут раздражать и нарушать нормальное функционирование. Нет никаких доказательств неблагоприятных эффектов воздействия полей до 8 Тл, за исключением ограниченной информации о незначительных эффектах на зрительно-моторную координацию и визуальный контраст.

Защита

Нормы ICNIRP по воздействию статических магнитных полей защищают от установленных последствий для здоровья. В ситуациях, связанных с воздействием очень сильных полей, следует разработать специальные рабочие процедуры, чтобы минимизировать влияние преходящих симптомов, таких как головокружение и тошнота. В частности, когда воздействие на рабочем месте связано с движением через сильное статическое магнитное поле, при определенных обстоятельствах рекомендуется ограничивать скорость движения через это поле.Для пациентов, проходящих диагностические процедуры МРТ, ICNIRP также предоставил конкретные рекомендации по безопасному выполнению таких процедур.

Кроме того, органы безопасности должны обеспечить наличие положений для защиты людей, которые носят имплантированные ферромагнитные или электронные медицинские устройства, чувствительные к магнитным полям.

Магнитное поле Земли: определение и характеристики

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли — это магнитное поле, которое исходит из ядра Земли и окружает Землю.Его можно рассматривать как своего рода силовое поле, которое охватывает Землю и защищает нашу планету от солнечного излучения. Без магнитного поля космические лучи и радиация проникли бы на нашу планету, а форма солнечного излучения от Солнца, называемая солнечным ветром , отделит атмосферу Земли, уничтожив большинство форм жизни на нашей планете. Знаменитое «северное сияние» вызвано отклонением смертоносных космических лучей магнитным полем Земли. Это «силовое поле» или магнитосфера, окружающая нашу планету, простирается на несколько тысяч километров в космос вокруг Земли.

Мы можем представить Землю как один большой геомагнит с северным и южным полюсами. Северный полюс и южный полюс находятся относительно близко к верху и низу планеты, поэтому иногда мы называем арктический регион Северным полюсом, а область возле Антарктиды — Южным полюсом. Силовые линии магнитного поля простираются от обоих полюсов в космос, создавая магнитосферу вокруг Земли (см. Фото). Еще один интересный факт о магнитном поле Земли заключается в том, что оно наклонено под углом 10 градусов к оси Земли.

Почему у Земли есть магнитное поле?

Мы узнали, что у Земли есть магнитное поле, которое ее окружает и действует как своего рода силовое поле, которое защищает нас от космического излучения и солнечного ветра. Но почему у Земли есть магнитное поле? Что вызывает это?

Ядро Земли состоит из различных металлов, в основном железа и никеля, а также других тяжелых металлов, таких как золото, платина и уран. Так является ли магнитное поле Земли результатом присутствия металлов в ее ядре? Хотя большинство металлов обладают магнитными свойствами, в ходе наших исследований магнетизма мы также узнали, что при чрезвычайно высоких температурах, например, в случае ядра Земли, металлы теряют свои магнитные свойства.Так что же тогда вызывает магнитные поля Земли?

Магнитное поле Земли является результатом так называемого динамо-эффекта . Эффект динамо — это когда вращающийся электрический ток создает магнитное поле. Текущий расплавленный металл в ядре Земли генерирует электрический ток. А поскольку Земля вращается, это создает магнитное поле. Следовательно, ни текучего металла, ни вращения, ни магнитного поля. Считается, что именно это случилось с Марсом. Марс, будучи скалистой планетой, имеет металлическое ядро, как Земля, и, как Земля, он вращается вокруг своей оси.Однако на Марсе нет расплавленного металла, который создавал бы электрический ток. Поэтому ученые считают, что Марс без магнитного поля, защищающего его от солнечного ветра, потерял большую часть своей атмосферы из-за того, что солнечный ветер разорвал его.

Магнитное поле Земли меняется

Еще один действительно интересный аспект магнитного поля Земли заключается в том, что оно меняется каждые 100 000 — 250 000 лет или около того! Это означает, что то, что было северным полюсом (арктический регион), становится южным полюсом, а то, что было южным полюсом (антарктический регион), становится северным полюсом.Однако в последний раз магнитное поле Земли перевернулось около 780 000 лет назад, а это значит, что это явление давно отстает от своего обычного графика и может произойти в ближайшее время! Более того, недавно ученые обнаружили, что магнитное поле Земли ослабевает, теряя 5% своей силы каждые 10 лет. Ученые до сих пор не уверены, почему, но некоторые предположили, что это могло произойти из-за того, что магнитное поле Земли готово измениться.

Краткое содержание урока

Магнитное поле Земли — это магнитное поле, которое исходит из ядра Земли и окружает Землю.Магнитное поле Земли вызвано динамо-эффектом , созданием магнитного поля из-за движущегося электрического тока. Текущий расплавленный металл в ядре Земли создает электрический ток, и при вращении Земли это создает эффект динамо, который дает нам наше магнитное поле. Наше магнитное поле защищает нас от вредного космического излучения и солнечного ветра , , которые не позволят существовать на нашей планете известной нам жизни. Вдобавок магнитное поле уменьшается, что может быть связано с тем, что магнитное поле Земли меняется каждые сотни тысяч лет.

границ | Влияние магнитного поля на каталитические свойства частиц типа ядро-оболочка

Графический реферат . Путем модификации вращающегося дискового электрода постоянные магниты можно расположить очень близко к поверхности электрода.

Введение

Наша цель — изучить, как можно изменить каталитическое поведение конкретного электрохимического процесса и, следовательно, лучше понять его. Здесь мы рассматриваем магнитные поля как средство воздействия на электрохимические процессы.Субатомные частицы, как и электроны, имеют массу, спин и заряд. Справедливо предположить, что по крайней мере одно из этих свойств — спин — может быть нарушено присутствием магнитного поля. Спин является внутренним и порождает магнитный момент, которым можно управлять.

Steiner et al. были первыми, кто составил обзор магнитного воздействия на химические реакции с высоты птичьего полета, включая такие примеры, как тушение магнитной флуоресценции, фото добавление SO ₂ к пентану, термическое разложение органических пероксидов, реакции алкилов щелочных металлов с алкилгалогенидами и т.п.(Штайнер и Ульрих, 1989). Кроме того, в обзоре есть ссылки на множество отчетов о влиянии магнитного поля на фотофизические явления в (органических) молекулярных кристаллах, такие как люминесценция и фотопроводимость. Даже примеры простых экспериментов, проводимых между двумя лабораторными магнитами, в которых измерялась скорость реакции между органическими радикалами, показали заметное увеличение скорости реакции (Turro and Kraeutler, 1980). Как описано Steiner et al. большинство эффектов магнитного поля в химических процессах происходит в жидких растворах, в основном в результате механизма пар радикалов (Okazaki and Shiga, 1986; Steiner and Ulrich, 1989).С другой стороны, в газофазных реакциях повторная встреча геминальных радикалов маловероятна, а в твердофазных реакциях радикальные пары не разделяются легко. Шовковый и др. представил обзор теоретического подхода к влиянию магнитного поля на химические реакции (Шовковы, 2013). Торунь и др. описывают, как наличие локального магнитного момента поверхностей катализатора RuO ₂ сохраняет угловой момент и позволяет производить магнитный кислород из немагнитной воды (Torun et al., 2013).

По реакциям переноса электрона отчеты немногочисленны. Один из первых примеров был представлен Periasamy et al. изучение реакции переноса электрона между диазабициклооктаном (DABCO) и триплетом флуоренона в пропиленкарбонате (Periasamy and Lindschitz, 1979). По эффектам магнитного поля в электрокатализе сообщений еще меньше. Насколько нам известно, Ледди и его сотрудники были первой группой, работавшей над магнитно-модифицированными электродами с целью улучшения кинетики переноса электронов.Они изучили влияние магнитного поля на реакцию выделения водорода (HER) на некаталитических поверхностях. Кроме того, они изучили окисление CO ₂ на магнитно-модифицированном платиновом электроде. Электроды были сделаны с магнитными микрочастицами, прикрепленными к поверхности электрода, чтобы она могла выдерживать постоянное магнитное поле. Их исследования показывают, что окисление монооксида углерода на таких модифицированных поверхностях Pt-электродов значительно изменяется по сравнению с электродами без магнитных микрочастиц из-за спиновой поляризации (Dunwoody et al., 2005). Окисление монооксида углерода происходило при меньшем перенапряжении на 600 мВ. Утверждается, что увеличение скорости переноса электронов происходит из-за подавления энтропии электронного спина и, следовательно, снижения активационного барьера.

Jonsson et al. изучили влияние магнитных состояний на реакционную способность поверхности железа с помощью расчетов по теории функций плотности (DFT). Их результаты показывают, что на перенос заряда между поверхностью катализатора и адсорбатом сильно влияет спиновая структура.В их исследовании адсорбция и диссоциация H ₂ и CO была модифицирована изменениями спиновой структуры (Melander et al., 2014).

Недавно Galán-Mascarós et al. показали, что высокомагнитные электрокатализаторы, такие как смешанные оксиды на основе Ni-Fe-Zn, проявляют более высокую активность в реакции выделения кислорода (OER) при приложении магнитного поля к аноду (Garcés-Pineda et al., 2019). Также исследование Peng et al. о влиянии магнитного поля на электрокатализатор на основе оксида кооксида подтверждает, что OER можно улучшить, поместив электролизер между постоянными магнитами с умеренным полем (Li et al., 2019). Они также добавляют влияние направленности магнитного поля на перенапряжение и тафелевский наклон. Этот же материал был дополнительно исследован Wei et al. для возможных улучшений каталитической активности по отношению к реакции восстановления кислорода (ORR) (Zeng et al., 2018). Небольшое улучшение селективности в отношении пути 4-электронов достигается за счет приложения внешнего магнитного поля. Эти недавние исследования показывают влияние спиновой поляризации магнитным полем на каталитические свойства оксидов переходных металлов.

В этой статье мы представляем наше исследование влияния внешнего магнитного поля на электрокаталитические процессы, происходящие на четырех электрокатализаторах на основе платины. Насколько нам известно, это первое исследование взаимодействия Pt и водорода под действием внешнего магнитного поля. Для этого мы встроили сильные магниты в вал вращающегося дискового электрода и записали электрохимические процессы на Pt в Ar- или O ₂ насыщенном кислотном электролите в присутствии и в отсутствие магнитного поля.Из-за неспаренных спиновых состояний в водороде, а также в кислороде эти частицы в определенной степени реагируют на магнитное поле.

Адсорбция и десорбция водорода

Основными электрохимическими процессами, происходящими в этих условиях, являются, во-первых, если присутствует кислород, реакция выделения кислорода (OER) и реакция восстановления кислорода (ORR) с потенциалом термодинамического равновесия 1,23 В относительно SHE, см. Рисунок 1. Адсорбция кислорода и десорбция протекает эти реакции. ORR и OER более подробно описаны в (Norskov, 2000; Koper, 2008; Zhang, 2008; Diaz-Morales et al., 2018). Область между областью образования / восстановления поверхностного оксида и областью адсорбции / десорбции водорода обычно называется «областью двойного слоя». В этой области не происходят фарадеевские процессы, а только емкостные (ukaszewski et al., 2016). Во-вторых, реакция выделения водорода (HER) и реакция окисления водорода (HOR) имеют термодинамический равновесный потенциал 0 В относительно SHE и характеризуют особенности циклической вольтамперограммы около 0 В. Когда потенциал поддерживается> 0 В (vs .SHE) происходит только адсорбция и десорбция водорода, что часто называют отложением H при пониженном потенциале (H _upd ).

Рисунок 1 . Типичные особенности циклической вольтамперометрии на платиновых катализаторах в кислотном электролите. Пики десорбции водорода далее именуются «пиком 1» и «пиком 2». Рисунок основан на концепциях ukaszewski et al. (2016).

Адсорбцию можно разделить на: (1) молекулярно хемосорбированную, (2) атомарную хемосорбцию и (3) молекулярную физадсорбцию (Oudenhuijzen et al., 2001; Родунер, 2014; Kulkarni et al., 2018). Молекулярная физадсорбция относится к электростатическим взаимодействиям между Pt и молекулярным H ₂ , при котором нет общих электронов и не происходит диссоциации. Как описано в другом месте (Oudenhuijzen et al., 2001), молекулярная хемосорбция H ₂ крайне маловероятна. H ₂ немедленно диссоциирует, что означает, что хемосорбция H ₂ на Pt является атомарной в большей части.

Механизм адсорбции и выделения водорода на платине хорошо изучен (Kreuer, 2013; Zheng et al., 2014; Murthy et al., 2018). Этот процесс является быстрым и электрохимически обратимым, а равновесное покрытие поверхности зависит от потенциала электрода. Циклические вольтамперограммы, записанные для платины в кислотном электролите, показывают характерные пики при 0–0,4 В относительно RHE. Похоже, существует общий консенсус относительно происхождения наиболее заметных пиков (Oudenhuijzen et al., 2001; Kreuer, 2013; Sarkar et al., 2013; ukaszewski et al., 2016; Diaz-Morales et al., 2018) , расположенные около 0,125 и 0,27 В, представляющие ступенчатые участки (110) и (100) на Pt, следующим образом, подробно описанным Diaz-Morales et al.(2018):

, где ^* hkl означает свободный участок на поверхности Pt с индексами Миллера hkl.

Материалы и методы

Для этого исследования были изготовлены три электрокатализатора в соответствии с нашим бинепрерывным синтезом ядро-оболочка на основе микроэмульсии, описанным в Westsson и Koper (2014) и Westsson et al. (2019): Наночастицы Pt @ Fe, наночастицы Pt @ Cu и чистые наночастицы Pt, нанесенные на углерод, сделанные в бинепрерывной микроэмульсии. Кроме того, использовалась коммерческая Pt на угле (60 мас.% Pt на Vulcan XC-72R, Johnson Matthey, UK) (с этого момента обозначаемая как «чистая Pt»).

Настройка

Чтобы иметь возможность создавать магнитное поле, как можно более сильное и как можно ближе к слою катализатора, вращающийся дисковый электрод был модифицирован и усовершенствован во многих этапах. Электрод Pine Instrument RDE со съемным диском из стеклоуглерода диаметром 5 мм использовался в качестве исходного материала для создания электрода, который может быть как магнитным, так и немагнитным. Чтобы разместить магниты прямо между диском из стеклоуглерода и подпружиненным валом, и диск, и вал пришлось уменьшить в размерах.Благодаря ультратонкой полировке длина диска из стеклоуглерода была уменьшена с 5 мм до 2 мм благодаря программе Surface Preparation Laboratory , Zaandam, NL. Был изготовлен новый, более короткий вал с подпружиненным наконечником для обеспечения хорошего электрического контакта с магнитами. «Полость» внутри модифицированного электрода RDE была сделана так, чтобы в ней могли размещаться либо только магниты, либо только немагнитный латунный цилиндр, либо половинные магниты / латунь в качестве грубого способа изменения напряженности магнитного поля.См. Рисунок 2 для схематической иллюстрации.

Рисунок 2 . Схематическое изображение модифицированного вала RDE.

Магниты ( Супермагниты , Дрезден, Германия) представляют собой неодимовые магниты диаметром 5 мм с цилиндрами длиной 2, 3 и 5 мм, покрытые никелем. Магниты марки N52, что соответствует напряженности магнитного поля ~ 0,4 Тл в непосредственной близости от слоя катализатора.

Экспериментальный

Образцы катализаторов, Pt @ Fe, Pt @ Cu и чистая Pt (далее обозначаемая как «микроэмульсия Pt»), были приготовлены и охарактеризованы в соответствии с нашим микроэмульсионным синтезом частиц ядро-оболочка, описанным в Westsson и Koper. (2014) и Westsson et al.(2019), в котором металлическое ядро ​​размером 3 нм сначала синтезируется внутри водных каналов плотной микроэмульсии. Оболочка впоследствии добавляется путем гальванической замены поверхностных атомов ядра на металл оболочки. На третьем этапе добавляется углеродный носитель (Vulcan XC-72R), а на четвертом этапе частицы ядро-оболочка на носителе промываются. Для получения наиболее точного сравнения между измерениями активности, выполненными с конфигурацией магнитного электрода, по сравнению с немагнитной конфигурацией, последовательность измерений оказалась решающей.Два последовательных измерения — с магнитным полем и без него — должны были быть выполнены либо на двух разных слоях чернил и риск возникновения различий между слоями, либо на одном слое, в котором оба измерения с помощью магнитов и латунного цилиндра были выполнены с точной точностью. тот же слой. В последнем случае существует риск того, что слой будет слегка поврежден при переключении внутренней части электрода, поскольку это связано с перемещением стеклоуглеродного диска. Кроме того, существует риск того, что возможная циклическая обработка необратимо изменит катализатор в результате набора измерений, другими словами, «эффект памяти».«Игла используется для проталкивания покрытого катализатором стеклоуглеродного диска в держатель из ПТФЭ при удалении / установке магнитов в вал. «M» представляет магнитную конфигурацию, а «b» представляет латунный цилиндр, то есть немагнитную конфигурацию на фигурах. Таблица 1 объясняет, как измерения были помечены в соответствии с магнитной конфигурацией и порядком.

Таблица 1 . Иллюстрирует пример того, как были выполнены измерения и как они были соответственно помечены.

Оптический микроскоп использовался для оценки потерь катализатора из стеклоуглеродного электрода из-за повторного введения стеклоуглерода в наконечник RDE.Для измерения длины и ширины царапин использовали линейку для микрометрической микроскопии, и можно было оценить процент от общей площади электрода, предполагая, что слой катализатора нанесен однородно.

Измерения каталитической активности проводились в кислых условиях в соответствии со стандартной процедурой RDE (Garsany et al., 2014). В качестве электролита использовался раствор 0,1 М HClO ₄ . Электродом сравнения был электрод RHE — по сути, Pt-проволока со свежеприготовленным газом H ₂ — и противоэлектродом была платиновая проволока, намотанная в форме спирали.Для всех электрохимических измерений использовался потенциостат Autolab PGSTAT 20, а также трехэлектродная ячейка и вращающийся дисковый электрод (RDE) от Pine Instruments со стеклоуглеродным диском диаметром 5 мм и, следовательно, площадью электрода 0,198 см ² . Рабочий электрод готовили путем тщательной полировки стеклоуглеродного диска суспензиями для полировки частиц оксида алюминия размером 1,0, 0,3 и 0,05 мкм с промывкой между каждым этапом. Остатки полировальной среды были удалены в ультразвуковой ванне.Чернила получали путем смешивания 6,0 мг порошка катализатора (т.е. частицы углерода + ядро-оболочка) с 4,56 мкл суспензии нафиона (5 мас.%) И 12 мл изопропанола. Чернила смешивались с использованием ультразвуковой ванны. Для создания слоев каталитических чернил на электроде на диск было нанесено капля 13 мкл каталитических чернил. Все эксперименты проводились в электролите, насыщенном Ar для циклической вольтамперометрии и O ₂ для гидродинамической вольтамперометрии с использованием скоростей вращения 400, 900, 1600 и 2500 об / мин в соответствии с обычно используемыми процедурами оценки, как описано в Gasteiger et al.(2005) и Гарсани и др. (2014). Циклические вольтамперограммы, записанные в электролите, насыщенном аргоном, измеряли при скорости сканирования либо 50 мВ / с, либо 100 мВ / с. Скорость сканирования для гидродинамической вольтамперометрии составляла 5 мВ / с. На первом этапе электрохимической очистки использовалось изменение потенциала со скоростью 100 мВ / с в течение 50 циклов. Потери ECSA и ECSA рассчитывались в соответствии с широко используемой методологией, впервые описанной Трасатти (1991). Используемая скорость сканирования составляла 50 мВ / с.

Результаты

Подготовка образца

Каждый раз, когда стеклоуглерод проталкивается иглой в держатель ПТФЭ, потеря геометрической площади, оцененная с помощью оптической микроскопии, составляет ~ 1–5% при каждом переключении конфигурации, см. Пример на Рисунке 3.Эта потеря неизбежна, если полностью не изменить архитектуру установки электродов.

Рисунок 3 . Фотография с использованием оптического микроскопа царапин на слое катализатора при повторной установке покрытого катализатором стеклоуглеродного диска в держатель из ПТФЭ после переключения конфигурации. Черный кружок представляет относительный размер диска из стеклоуглерода.

Циклическая вольтамперометрия

На циклических вольтамперограммах на рис. 4A при переключении конфигурации наблюдается потеря площади поверхности катализатора, оцененная по площадям пиков адсорбции и десорбции водорода.Это, по крайней мере частично, происходит из-за небольшого повреждения слоя катализатора, возникающего при вдавливании стеклоуглерода в держатель из ПТФЭ. Например, при измерении образца «Pt @ Fe» (Рисунок S1) ECSA составляет: m1 = 70 м ² / г, b2 = 62 м ² / г и m3 = 53 м ² / г. Расчет удельной активности основан на этих значениях. Потери, оцененные с помощью ECSA, больше, чем потери площади, оцененные с помощью оптической микроскопии.

Рисунок 4 .Циклические вольтамперограммы для электролита, насыщенного аргоном, для (A) коммерческой Pt при 100 мВ / с с крупным планом области десорбции водорода и (B) для промышленной Pt, измеренной при 50 мВ / с. Пик 1 соответствует десорбции водорода из центров Pt (110), а пик 2 — десорбции из Pt (100). Легенда относится к последовательности измерений (1–4) и конфигурации магнитного (m) или немагнитного (b) измерения, как описано в таблице 1.

Циклические вольтамперограммы для Pt @ Cu, Pt @ Fe и чистой Pt, полученной в бинепрерывной микроэмульсии, представлены на рисунках S1, S2, единственный заметный результат — уменьшение плотности тока при переключении между двумя конфигурациями.Графики иллюстрируют сходные характеристики пиков как в магнитной, так и в немагнитной конфигурации.

Напротив, на циклических вольтамперограммах с использованием технической чистой Pt в качестве катализатора пики адсорбции и десорбции водорода более заметны, поскольку частицы лучше диспергируются на углеродном носителе. Они не только выше в относительном выражении, но и разница в поведении между магнитной конфигурацией, «m» и немагнитной конфигурацией, «b» (для латуни) раскрывается. Хотя количество различных слоев чернил, проанализированных с помощью последовательности магнитных и немагнитных измерений, ограничено ~ 10, каждая вольтамперограмма вносит свой вклад в структуру пиков, смещающихся в сторону более высоких потенциалов при сканировании в сторону более высоких потенциалов окисления, и наоборот, когда магнитное поле присутствует независимо от последовательности измерений.На рисунке 4 показаны вольтамперограммы для образцов, измеренных как при скорости сканирования 100 мВ / с, так и при 50 мВ / с, с использованием различных последовательностей измерений. На рис. 4А показано существенное различие положения пиков десорбции водорода между измерениями, выполненными в присутствии магнитного поля и без него. На рис. 4B порядок измерения является магнитным-немагнитным-немагнитным, чтобы исключить любой вклад от самого переключателя конфигурации. Пиковые позиции остаются неизменными между «b2» и «b3». Небольшой сдвиг в позиции десорбции кислорода виден в некоторых измерениях.Однако в этом первоначальном исследовании основное внимание уделялось водородной области.

Гидродинамическая вольтамперометрия

После каждого измерения в электролите, насыщенном Ar, проводили гидродинамическую вольтамперометрию в электролите, насыщенном O ₂ , анализируя массовую активность и удельную активность каждой конфигурации для каждого слоя катализатора.

Очевидный и ожидаемый эффект потери катализатора отражается в потере массовой активности между измерениями, как показано на Рисунке 5 в качестве примера и в SI (Рисунок S5).Если принять во внимание общую электрохимически активную площадь поверхности слоя, измерения — магнитные и немагнитные — в значительной степени перекрываются. Как показывают результаты, не было обнаружено значительной разницы в каталитической активности между магнитными и немагнитными измерениями.

Рисунок 5 . Гидродинамические вольтамперограммы для коммерческой Pt, иллюстрирующие каталитическую активность в отношении восстановления кислорода в двух различных конфигурациях электродов; магнитное поле и отсутствие магнитного поля, рассчитанное как массовая активность (A), и удельная активность (B) ).

Обсуждение

Наибольший вклад в погрешности измерений вносит контактное сопротивление при переключении между магнитной и немагнитной конфигурациями для одного слоя. Однако крайне важно выполнить оба типа измерений на одном слое, поскольку нельзя игнорировать влияние изготовления и постоянное изменение катализатора во время измерений.

Процентная потеря ECSA между измерениями непропорционально велика по сравнению с наблюдаемой потерей слоя катализатора, наблюдаемой под микроскопом.Однако потери ECSA на протяжении последовательности измерений существенно не различаются между слоями катализатора. Как обсуждалось в Westsson et al. (2019) проблематично использовать ECSA в качестве оценки площади на нестандартных поверхностях. Однако он может служить для оценки — в пределах одного катализатора — относительной площади поверхности. Потери катализатора, рассчитанные с использованием ECSA, возможно, более надежны, чем потери, рассчитанные с помощью микроскопии, поскольку графики удельной активности, похоже, перекрываются.

Commercial Pt имеет самый высокий ECSA, что означает, что любой эффект будет наиболее заметен в этом образце.Хотя положения пиков в других образцах не показывают четкого сдвига, они не противоречат результату для коммерческой платины. В качестве попытки количественно определить сдвиг пика в коммерческих образцах Pt была проведена деконволюция пика с использованием двух кривых Гаусса, подогнанных к данным, см. Пример на Рисунке S6. Поскольку пики десорбции водорода дают более заметные пики, они составляют основу для такого анализа. Хотя пики адсорбции, по-видимому, следуют той же тенденции, статистическая оценка с использованием этого набора данных не проводилась.

Положения двух пиков в зависимости от порядка измерения показаны на рисунке 6. Обычно положения пиков смещаются в сторону более высоких потенциалов, когда присутствует магнитное поле. Когда конфигурация «переключается» с магнитной на магнитную (т. Е. Стеклоуглерод, включая слой катализатора, был удален и повторно установлен без изменения магнитов для немагнитного цилиндра) или немагнитный на немагнитный, положения пиков не отображаются столько же пикового сдвига. Такие измерения дают представление об ошибке с точки зрения положения пиков при отсутствии и наличии магнитного поля в пределах одного слоя катализатора.Однако этих точек данных слишком мало, чтобы определить надежную стандартную ошибку. Другой источник ошибок возникает из-за воспроизводимости между различными слоями катализатора. Ожидается, что эта ошибка будет относительно большой. Например, два измерения с именем m1 (где «1» обозначает порядковый номер) из разных слоев катализатора в идеале должны перекрываться, но, как показано на рисунке 6, это не так. Тем не менее, относительный сдвиг положения пика при переключении конфигурации является наиболее важным по сравнению с измерением того же слоя .

Рис. 6. (A) Положение пика как функция порядка измерения для пика десорбции водорода 1 для промышленных образцов Pt, измеренных при 100 мВ / с. Стрелки соединяют измерения, сделанные на одном слое. (B) Положения пика 1 для образцов, измеренных при 50 мВ / с. Положения пика 2 см. На Рисунке S3.

В качестве сводки всех измерений высота и положение пика 1 показаны на Рисунке 7. Магнитные и немагнитные измерения четко формируют два отдельных облака, положения пиков которых различаются.С другой стороны, высоты пиков не разделяют две конфигурации. См. Рисунок S4 для получения дополнительной информации.

Рисунок 7 . Положение пика и высота пика для пика десорбции 1, где синий квадрат = магнитная конфигурация и красный кружок = немагнитная конфигурация. Звездочки представляют собой средние значения (b: 0,146 ± 0,008; 84,86 ± 33,38 и m: 0,186 ± 0,024; 112,04 ± 62,76). Овалы служат ориентиром для глаз.

При выполнении двух выборок t -Тест, в котором порог статистической значимости α = 0.05 выбрано в наборе данных положений пиков (как пик 1, так и пик 2) для «m» и «b», средние значения и дисперсия совокупности значительно различаются между m и b. Среднее значение положения пика для пика 1 в магнитной конфигурации составляет 0,186 В ± 0,024 и 0,146 В ± 0,008 для немагнитной конфигурации, показанной звездочкой на рисунке 7. Это оставляет сдвиг на ~ 0,04 В. Относительные расстояния между ними. два пика представлены на фиг. 8. Средние значения и дисперсия существенно не различаются в тесте Two Sample t -Test.Очевидно, что из-за малочисленности выборки статистика имеет ограниченное качество. Однако это попытка разобраться в влиянии магнитного поля на ограниченный набор данных.

Рисунок 8 . Расщепление пиков. Небольшая разница между двумя конфигурациями видна, но не является статистически значимой.

Сдвиг в положениях пиков, предположительно вызванный наличием магнитного поля, невелик, но, тем не менее, присутствует во всех (коммерческих Pt) образцах для различных скоростей сканирования.Наше ограниченное исследование электрокаталитического поведения в присутствии магнитного поля и без него предполагает, что десорбция H с поверхности Pt замедляется в присутствии магнитного поля.

В этих экспериментах поверхность намагничивается или не намагничивается. Любое магнитное воздействие на потенциал должно быть связано со спинами некоторых активных частиц, взаимодействующих с полем. Адсорбция и десорбция водорода на Pt — это два процесса в нашей системе. Сам H ₂ имеет два магнитных спина, один из электрона и один из протона, тогда как H ⁺ имеет только спин ± 12.В H ₂ спиновое состояние + 1 и -1 будет реагировать на магнитное поле, тогда как состояние антипараллельного спина не взаимодействует с магнитным полем. Это означает, что 50% водорода поляризовано по спину, а 50% — нет. Также платина намагничивается за счет неспаренных спинов, и магнитное поле влияет на ее зонную структуру (Гречнев, 2009). В результате изменяется энергия связи водорода с поверхностью платины, что и наблюдается в данном исследовании. Изменение энергии Зеемана из-за наличия магнитного поля может влиять на энергию активации положительно или отрицательно, изменяя суммарную энтальпию активационного барьера и тем самым изменяя скорость окислительно-восстановительной реакции (Озероваб, Воробьев, 2007; Zeng et al., 2018). Однако, если уровни энергии в атомах или молекулах изменяются путем приложения магнитного поля через эффект Зеемана, картина может измениться, и пики кривой ВАХ больше не представляют того, что было бы в случае без магнитного поля. Однако углубленный анализ механизма выходит за рамки настоящего исследования. Тем не менее, насколько нам известно, это первое экспериментальное исследование, в котором обсуждается влияние внешнего магнитного поля на адсорбцию водорода на Pt — одном из наших важнейших электрокатализаторов.Наши результаты указывают на то же направление, что и прогнозы расчетов, представленных в Melander et al. (2014).

При текущей установке и напряженности магнитного поля явное и значительное влияние магнитного поля на каталитическую активность по отношению к реакции восстановления кислорода, будь то начальный потенциал или кинетически ограниченный ток, не было обнаружено или просто не существует для каталитических материалов, изучаемых здесь. .

В заключение мы предполагаем, что изменения в электрохимическом поведении, наблюдаемые в этом исследовании, связаны с взаимодействием магнитных состояний водорода с катализатором и что это вызывает сдвиг потенциалов адсорбции и десорбции водорода.По крайней мере, некоторые состояния водорода являются магнитными, поэтому мы предполагаем, что на электрохимические процессы влияют магнитные состояния водорода. Принимая во внимание наблюдения, сделанные в этом исследовании, мы подчеркиваем влияние внешнего магнитного поля как на катализатор, так и на реагенты, а также на важность их спиновых состояний, которые ранее редко обсуждались.

В частности, при катализе малых симметричных молекул, таких как H ₂ и O ₂ , активация этих молекул зависит от нарушения их симметрии.Введение внешнего магнитного поля потенциально может служить средством контроля нарушения симметрии и, следовательно, снижения активационных барьеров. Это стало бы скромным дополнением к традиционным подходам к катализу.

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительные материалы.

Авторские взносы

EW провела эксперименты и написала текст. GK контролировал и участвовал в обсуждениях и руководстве вместе с SP.

Финансирование

Авторы заявляют, что это исследование получило финансирование от NanoNextNL (B2.02). Спонсор не участвовал в разработке, сборе, анализе, интерпретации данных, написании этой статьи или решении представить ее для публикации. NanoNextNL — инновационный консорциум правительства Нидерландов и 130 партнеров в академических и промышленных кругах.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Части этой статьи включены в следующую диссертацию: Westsson (2019).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2020.00163/full#supplementary-material

Список литературы

Диас-Моралес, О., Херсбах, Т. Дж. П., Бадан, К., Гарсия, А. К., и Копер, М. Т. М. (2018). Адсорбция водорода на наноструктурированных платиновых электродах. Фарадей Обсудить 210, 301–315. DOI: 10.1039 / c8fd00062j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Данвуди, Д. К., Юнлю, М., Вольф, А. К. Х., Геллетт, В., и Ледди, Дж. (2005). Угольные электроды со встроенным магнитом: методы создания и демонстрация повышенного электрохимического потока. Электроанализ 17, 1487–1494. DOI: 10.1002 / elan.200503297

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарсес-Пинеда, Ф.А., Бласко, М., Кастро, Д. Н., Лопес, Н., Галан-Маскарос, Дж. Р. (2019). Прямое магнитное усиление электрокаталитического окисления воды в щелочных средах. Nat. Энергия 4, 519–525. DOI: 10.1038 / s41560-019-0404-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарсани, Ю., Ге, Дж., Сен-Пьер, Дж., Рошело, Р., и Свидер-Лайонс, К. Э. (2014). Аналитическая процедура для точного сравнения результатов вращающегося дискового электрода по активности Pt / C по восстановлению кислорода. J. Electrochem. Soc. 161, F628 – F640. DOI: 10.1149 / 2.036405jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гастайгер, Х. А., Коча, С., Сомпалли, Б., и Вагнер, Ф. Т. (2005). Контрольные показатели активности и требования к катализаторам восстановления кислорода из Pt, Pt-сплавов и без Pt для PEMFC. Заявл. Катал. B Environ. 56, 9–35. DOI: 10.1016 / j.apcatb.2004.06.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гречнев, Г. Э. (2009). Эффекты магнитного поля в электронной структуре коллективизированных систем d- и f-металлов. Low Temperature Phys. 35, 638–651. DOI: 10.1063 / 1.3224723

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Копер, М. Т. М. (2008). Катализ топливных элементов: подход к науке о поверхности. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley.

Google Scholar

Кулькарни А., Сиахростами С., Патель А. и Нёрсков Дж. К. (2018). Понимание тенденций каталитической активности в реакции восстановления кислорода. Chem. Ред. 118, 2302–2312. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.7b00488

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Чжан Л., Пэн Дж., Чжан В. и Пэн К. (2019). Магнитное поле усиливает электрокатализ Co3O4 / NF для реакции выделения кислорода. J. Power Sour. 433: 226704. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2019.226704

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ukaszewski, M., Soszko, M., and Czerwinski, A. (2016). Электрохимические методы определения реальной площади поверхности электродов из благородных металлов — обзор. Внутр. J. Electrochem. Sci. 11, 4442–4469. DOI: 10.20964 / 2016.06.71

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Меландер М., Лаасонен К. и Йонссон Х. (2014). Влияние магнитных состояний на реакционную способность поверхности железа с ГЦК (111). J. Phys. Chem. C 118, 15863–15873. DOI: 10.1021 / jp504709d

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мурти А. П., Мадхаван Дж. И Муруган К. (2018). Последние достижения в области катализаторов реакции выделения водорода на углеродных носителях в кислой среде. J. Power Sour. 398, 9–26. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2018.07.040

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Норсков, Б. Х. Дж. К. (2000). Теоретическая наука о поверхности и катализ — расчеты и концепции. Adv. Катал. 45, 71–129. DOI: 10.1016 / S0360-0564 (02) 45013-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Окадзаки М. и Сига Т. (1986). Выход продукта зависящей от магнитного поля фотохимической реакции, модулированной электронно-спиновым резонансом. Природа 323, 240–243. DOI: 10.1038 / 323240a0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Oudenhuijzen, M.K., Bitter, J.H., and Koningsberger, D.C. (2001). Природа Pt-H-связи для сильно и слабо связанного водорода на платине A XAFS-спектроскопическое исследование резонанса формы разрыхляющего состояния Pt-H и Pt-H EXAFS. J. Phys. Chem. B 105, 4616–4622. DOI: 10.1021 / jp0108014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Озероваб, Р.П., Воробьев А.А. (2007). Физика для химиков. Амстердам: Эльзевир.

Periasamy, N., and Lindschitz, H. (1979). Выход клетки и перефазировка спина триплетных ион-радикальных пар: температурно-вязкость и эффекты магнитного поля при фотовосстановлении флуоренона с помощью DABCO. Chem. Phys. Lett. 64, 281–285. DOI: 10.1016 / 0009-2614 (79) 80513-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саркар А., Керр Дж. Б. и Кэрнс Э. Дж. (2013). Электрокатализ в топливных элементах — подход без платины и с низким содержанием платины. Лондон: Спрингер. DOI: 10.1007 / 978-1-4471-4911-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шовковый И.А. (2013). «Магнитный катализ: обзор», в Сильно взаимодействующая материя в магнитных полях , ред. Д. Харзеев, К. Ландштейнер, А. Шмитт и Х.-У. Йи (Берлин: Springer) 13–49. DOI: 10.1007 / 978-3-642-37305-3_2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штайнер У. Э. и Ульрих Т. (1989). Эффекты магнитного поля в химической кинетике и родственные явления. Chem. Ред. 89, 51–147. DOI: 10.1021 / cr00091a003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Торун, Э., Фанг, К., де Вийс, Г. А., и де Гроот, Р. А. (2013). Роль магнетизма в катализе: поверхность RuO2 (110). J. Phys. Chem. С 117, 6353–6357. DOI: 10.1021 / jp4020367

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Trasatti, P. (1991). Измерения реальной площади поверхности в электрохимии. Pure Appl. Chem. 63, 711–734. DOI: 10.1351 / pac199163050711

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Турро, Н. Дж., И Краутлер, Б. (1980). Магнитное поле и магнитные изотопные эффекты в органических фотохимических реакциях. новое исследование механизмов реакции и метод обогащения магнитных изотопов. В соотв. Chem. Res. 13, 369–377. DOI: 10.1021 / ar50154a005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вестссон, Э. (2019). Катализаторы с низким содержанием благородных металлов для водородного топлива. (кандидатская диссертация). Делфт: Технологический университет Нидерландов.

Google Scholar

Вестссон, Э., Копер, Г. (2014). Как определить природу ядро-оболочка в частицах биметаллического катализатора? Катализаторы 4, 375–396. DOI: 10.3390 / catal4040375

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zeng, Z., Zhang, T., Liu, Y., Zhang, W., Yin, Z., Ji, Z., et al. (2018). Усиленный магнитным полем 4-электронный путь для хорошо выровненных Co3 O4 / электропряденых углеродных нановолокон в реакции восстановления кислорода. ChemSusChem 11, 580–588. DOI: 10.1002 / cssc.201701947

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zheng, Y., Jiao, Y., Li, L.H., Xing, T., Chen, Y., Jaroniec, M., et al. (2014). К разработке синергетически активных катализаторов на основе углерода для электрокаталитического выделения водорода. САУ Нано 8, 5290–5296. DOI: 10.1021 / nn501434a

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Что создает магнитное поле Земли?

Путешествие, чтобы увидеть северное или южное сияние, вошло в список желаний почти каждого.Но неизвестно большинству, эти прекрасные проявления света вызваны опасными космическими лучами, которые были отклонены магнитным полем нашей Земли.

Магнитные поля вокруг планет ведут себя так же, как стержневой магнит. Но при высоких температурах металлы теряют свои магнитные свойства. Итак, ясно, что горячее железное ядро ​​Земли не является тем, что создает магнитное поле вокруг нашей планеты.

Напротив, магнитное поле Земли вызвано динамо-эффектом.

Эффект работает так же, как динамо-светильник на велосипеде.Магниты в динамо-машине начинают вращаться при нажатии на педали велосипеда, создавая электрический ток. Затем электричество используется для включения света.

Этот процесс также работает в обратном порядке. Если у вас есть вращающийся электрический ток, он создаст магнитное поле.

На Земле течение жидкого металла во внешнем ядре планеты генерирует электрические токи. Вращение Земли вокруг своей оси заставляет эти электрические токи образовывать магнитное поле, которое распространяется вокруг планеты.

Магнитное поле чрезвычайно важно для поддержания жизни на Земле. Без этого мы были бы подвержены воздействию большого количества солнечной радиации, и наша атмосфера могла бы свободно просачиваться в космос.

Это, вероятно, то, что случилось с атмосферой на Марсе. Поскольку в ядре Марса нет текучего жидкого металла, он не производит такого же динамо-эффекта. Это оставило планету с очень слабым магнитным полем, из-за чего ее атмосфера была унесена солнечными ветрами, оставив ее непригодной для жизни.

Магнитное поле Земли, подобное магнитному полю стержневого магнита, наклоненного на 11 градусов от оси вращения Земли. Предоставлено: Dea / D’Arco Editor / Getty Images

Королевский институт Австралии имеет образовательный ресурс, основанный на этой статье. Вы можете получить к нему доступ здесь.

Вишну Варма Р. Веджаян

Вишну Варма Р. Веджаян — студент-физик из Лондонского университета королевы Марии, интересующийся научными работами и исследованиями в области физики.Стажировался в Cosmos в начале 2017 года.

Читайте научные факты, а не беллетристику …

Никогда еще не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить знания, основанные на фактах, и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. «Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, какими бы большими они ни были, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда она больше всего нужна миру.Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.

Вращающееся магнитное поле как инструмент для улучшения свойств ферментов — пример лакказы

Влияние внешнего магнитного поля на характеристики наночастиц кобальта, полученных с помощью импульсной лазерной абляции

3 Управление свойствами электромагнитным полем — Резюме сеанса | Новые процессы для перспективного производства: резюме семинара

микроструктур в материале и возможность улучшения характеристик материала.Этот метод представляет собой новый инструмент синтеза-катализа для преодоления барьеров реакции-активации, и он имеет потенциал для снижения энергии и затрат на обработку.

Затем доктор Людтка описал многочисленные свойства материалов, на которые влияют сильные магнитные поля, включая следующие:

• Фазовая стабильность;

• Диффузионные барьеры;

• Сердцевины дислокаций;

• Энергии повреждения;

• Фононы и магноны;

• Кинетика за счет повышения температуры и воздействия на критическое стабильное ядро ​​для образования преципитата; и

• Катализ и синтез, воздействуя на энергетические барьеры активации.

Доктор Людтка описал семинар, проведенный в 2005 году Национальной лабораторией сильного магнитного поля для понимания потребностей промышленности в рентгеновских и нейтронных эффектах. В результате семинара «Исследование вещества в сильных магнитных полях с помощью рентгеновских лучей и нейтронов» был составлен длинный список семейств материалов и областей воздействия, включая биологические материалы, синтез белков, композитные системы и многие, многие другие (Granroth et al., 2005). Исследователи ORNL работают над расширением и реализацией некоторых из этих идей.

Затем д-р Людтка очень кратко описал обработку магнитного поля в ORNL как коммерческий инструмент обработки синтеза-катализа, предназначенный для воздействия на фазовое равновесие и ускорения кинетики фазового превращения. Он разработан для одновременного воздействия на такие свойства материала, как прочность, ударная вязкость и фазовое равновесие. В установке обработки магнитного поля в ORNL используются сверхпроводящие магниты 9 Тл с вертикальным отверстием диаметром 8 дюймов.

Затем доктор Людтка объяснил, почему сильное магнитное поле сдвигает фазовые границы материала.В уравнении свободной энергии есть член, который коррелирует с внешним магнитным полем (интегральное выражение в уравнении ниже), хотя традиционно не считается, что он играет значительную роль:

∆G представляет собой изменение свободной энергии, α представляет собой долю феррита, а γ представляет собой долю аустенита на фазовой диаграмме Fe , где a представляет собой свободную энергию для феррита или аустенита.