Механизм увеличения водопоглощения семян под воздействием магнитного поля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 631.371

МЕХАНИЗМ УВЕЛИЧЕНИЯ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ СЕМЯН ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

© 2010 г. К.Х. Попандопуло, Н.В. Ксенз, И.Г. Сидорцов, Б.Н.Сорокин

Предложен поляризационно-диффузионный механизм увеличения водопоглощения семян сельскохозяйственных культур под действием магнитного поля. Показано, что при прочих неизмененных параметрах диффузионного процесса водопоглощение возрастает с увеличением напряженности магнитного поля (Н) по параболическому закону.

Результаты эксперимента хорошо согласуются с предложенной теоретической гипотезой.

Ключевые слова: магнитное поле, водопоглощение, сельскохозяйственные культуры, напряженность, параболический закон.

The authors offer the polarization-diffusion mechanism of the build-up of the water absorption by seed crops under the influence of the magnetic field. It is shown that with other permanent characteristics of diffusion process water absorption increases together with the increase of the magnetic field strain (H) in accordance with the parabolic law.

The experimental results go well with the offered theoretical hypothesis.

Key words: magnetic field, water absorption, crops, magnetic field strength, parabolic law.

В научных лабораториях и в производственных условиях испытаны в качестве стимулирующих воздействий на семена сельскохозяйственных культур электрические и магнитные поля, различные виды излучения, токи высоких и сверхвысоких частот. Обработка семян в магнитном поле является одним из наиболее простых и экологически чистых в реализации эффективных методов предпосевной обработки семенного материала [1]. В этой связи актуальными являются любые попытки получения теории, позволяющей не только объяснить научную сущность предпосевной стимуляции семян, но и обосновать параметры магнитного поля. С этой целью в настоящей работе была сделана попытка решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель, отражающую зависимость водопоглощения семян от напряжённости магнитного поля.

2. Проверить соответствие этой модели экспериментальным данным.

Нами предлагается поляризационнодиффузионный механизм увеличения во-допоглощения семян под воздействием магнитного поля.

Водопоглощение - это диффузионный процесс, происходящий через оболочку (мембрану) семени по первому закону Фика.

j = - D

AP

AZ

(1)

где ] - масса воды, прошедшая через площадь Д£ за время А г;

АР

- градиент плотности ДР молекул на

расстоянии, равном толщине оболочки семени;

Б - коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии

n a D = а— e

kT

(2)

где а - коэффициент, зависящий от структуры твёрдого тела;

т0 - постоянная, по порядку величины равная периоду собственных колебаний атомов в узлах кристаллической решётки; а - межатомное расстояние;

А - энергия активации диффузии; к - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

A

т

о

-► Z

Рис. 1. Модель поляризации (а) и диссоциационной деформации (б)

семени вдоль осей X и Z

При пролёте семени со скоростью V в магнитном поле с напряжённостью Н на ста. положительные и отрицательные заряды

qi будут действовать силы Лоренца

= Чг ■V■ Н ■ , (3)

которые приведут к разделению зарядов и поляризации семени в целом (рис. 1 а).

При помещение поляризованного семени в воду начинается процесс обволакивания семени поляризованными молекулами Н2О, то есть, начинается своего рода процесс диссоциации семени, приводящий к деформации семени (рис. 1 б). При этом расстояние между обобщёнными зарядами под действием диссоциативной (деформирующей) силы увеличится от Ъд до Ь (рис. 1 б).

Диссоциативная сила Р прямо пропорциональна заряду Чв = ЪН:

^ = *■ Ъ-Н, (4)

где ч0 - заряд, наведённый в семени магнитным полем; вдоль оси

Ь - коэффициент пропорционально-

X - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала, размеров и формы семени, а также свойств окружающей семя воды.

Тогда абсолютная деформация X по закону Гука будет равна:

%■ ън

к

(5)

где К - коэффициент жёсткости (упругости) оболочки семени.

При растяжении семени под действием диссоциативных сил Р увеличивается не только абсолютная деформация Х, но и межатомное расстояние а:

X = (а -а0) ■ Их, (6)

где Аа = а - а0 - изменение межатомных расстояний при деформации;

N = — - число атомных слоёв

ао

X.

Тогда

а =

(Х + Ьо)- ао

(7)

При растяжении толщина оболочки

семени будет уменьшаться от ЛЯд до

ЛЯ (рис. 1 б).

Для упругой деформации коэффициент Пуассона П равен:

П = -

(Ь - Ьо)/Ьо (Д2 -Д1^)/Д20

(8)

Знак минус стоит потому, что П всегда положителен и зависит от свойств семени, а при растяжении толщина оболочки ЛЯ уменьшается, то есть ЛЯ < ЛЯ о. Подставляя Ь-Ь0 из (5) в (8), найдем зависимость толщины оболочки семени от напряженности магнитного поля:

Д2 = Д20-

1 -

х-Ь-И К,- Ьо- П

л

(9)

Подставляя (2) в (7) и затем (7) в (2) и (1), получим зависимость водопоглощения / от напряженности магнитного поля Н:

АР

3 = -С(х2 ■ Н2 + 2х-Н^0 + Ьо а)■ — , (10)

где

С = а--

ап

т 2 -г

Ь0 го

А К - Т

Так как водопоглощение в отсутствие магнитного поля (Н=0) определяется формулой

т - п АР -

Л = - — = -а

ап

КТ

Д1

АР

дг

= - Б-

ДР

Д2

(11)

то водопоглощение в магнитном поле имеет вид:

Л = Л о( ^ + 2ХИ + 1) • (12)

"о ""о

Уравнение (12) может быть записано следующим образом:

I = а'-И2 +Ь'-И + С • (13)

Уравнение (13) представляет собой параболу с вершиной в точке с координа-

тами:

М

- Ь' /2а' = -Ь0 / х;(4а'с - Ь2)/4а' = о

В зависимости от знака а ветви параболы будут направлены вверх или вниз, если а > 0 - то вверх, при а < 0 - вниз.

Анализ уравнений (10-13) показывает, что механизм увеличения водопогло-щения семян в магнитном поле может быть связан:

- с одной стороны, с уменьшением толщины оболочки ЛЯ, вследствие действия растягивающих поляризационно-диссоционных сил ¥;

- с другой, с увеличением межатомного расстояния а, что приводит соответственно к изменению коэффициента диффузии.

При прочих неизменных параметрах диффузионного процесса водопоглощение возрастает с увеличением напряженности магнитного поля Н по параболическому закону (12-13).

Для проверки соответствия полученной теоретически зависимости (формула 13) был проведен эксперимент по влиянию напряжённости магнитного поля на удельное водопоглощение семян озимой пшеницы Зерноградка-9. Для сравнения теоретического выражения (13) с экспериментальным удельное водопоглощение было представлено в относительных единицах

(¥¡0¥).

Удельное водопоглощение определяли из соотношения

г = щ^-щ 1оо%

т

(14)

где т2 - масса семян (контрольных и обработанных) после замачивания;

т - масса семян (контрольных или обработанных) до замачивания.

Контрольные и обработанные семена взвешивались до замачивания и после замачивания в дистиллированной воде в течение 30 минут. Поверхностная влага удаляется с помощью фильтровальной бумаги. Для взвешивания семян (сухих и увлажнённых) применялись весы типа ВЛР-200.

Опытные семена обрабатывались на установке, позволяющей создавать магнитное поле различной напряжённости изменением расстояния между магнитами [2].

2

е

2

А

е

Т

о

Измерение магнитной индукции осуществлялось микротеслометром типа ТП2-2У. Эксперименты были проведены в диапазоне напряжённостей магнитного поля 1...7103 А/м.

Анализ результатов эксперимента показал, что максимальное водопоглощение семенами находится в диапазоне низких значений напряжённости магнитного поля ( Н =3,5.5кА/м). Результаты сравнения теоретической и экспериментальной зависимостей относительного водопоглощения от напряжённости магнитного поля представлены на рисунке 3. Теоретическая зависимость имеет вид:

- У=-0,0293Н2 + 0,248Н + 0,994.

Зависимость величины ошибки аппроксимации этой зависимостью экспериментальных результатов от напряжённости магнитного поля приведена в таблице 1.

Анализ этих зависимостей показывает, что при значении а' = -0,0293 и Ъъ =0,248 средняя ошибка аппроксимации теоретической зависимостью (13) экспериментальных данных не превышает 6%, что приемлемо для практических расчётов.

Аналогичные исследования влияния напряжённости магнитного поля на водо-поглощение были проведены и для семян других зерновых культур (табл. 2).

Таблица 1

Напряжённость, А/м 1 2 3 4 5 6 7

Ошибка опыта, % 9,4 2,7 2,6 3,1 5,0 2,6 5,8

<и

о

к

М3

<и

н

к

о

о

к

н

о

<и

к

к

<и

о

5

о

с

о

«

о

га

Напряжённость магнитного поля, кА/м

Рис. 3. Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости относительного удельного водопоглощения семян озимой пшеницы Зерноградка-9 от напряжённости магнитного поля

Таблица 2

Сравнение теоретического и экспериментального водопоглощения для семян

различных зерновых культур

Наименование культуры Контроль Опыт (обработка в МП), Н=3,8 кА/м Прибавка, % Теоретическое У (Н=4,0 кА/м), % Средняя ошибка, %

тх, % ОХ, % тх, % ох, %

Озимый ячмень Бастион 9,62 1,6 12,75 1,79 28,4 8,7 29,5

Озимая пшеница Донская юбилейная 6,94 1,53 8,77 2,21 26,4 0,8

Озимая пшеница Дон-93 6,55 0,89 9,0 1,57 37,4 3,3

Озимая пшеница Зерноградка-8 6,42 1,17 8,49 1,29 32,2 2,47

Кукуруза Задача М 7,66 1,27 9,06 1,31 18,3 3,98

Из анализа таблицы 2 видно, что стимулирующее действие магнитного поля на водопоглощение зависит от вида обрабатываемой культуры. Большее отклонение удельного водопоглощения семян озимого ячменя Бастион от теоретического можно объяснить более тонкой по сравнению с семенами пшеницы и кукурузы оболочкой семени, что согласуется с предлагаемой моделью механизма увеличения вла-гопоглощения семян под воздействием магнитного поля.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Предложенная модель хорошо описывает механизм водопоглощения семян левой ветвью параболы при а < 0 до максимального значения водопоглощения.

2. Максимальные значения водопо-глощения семян находятся в диапазоне напряжённости магнитного поля Н = 3,5...5,0 кА/м.

3. Ошибка аппроксимации экспериментальных данных для озимых пшениц и кукурузы не превышает 4%, что приемлемо для инженерных расчётов.

Литература

1. Влияние магнитных полей на посевные качества семян и продуктивность зерновых культур [Текст] / Ф.И. Бобрышев, В.М. Редькин, Г.П. Стародубцева, Ш.Ж. Габриелян //Пути повышения урожайности с.-х. культур. - Ставрополь, 1995. - С. 33-36.

2. Сидорцов, И.Г. Установка для предпосевной обработки семян [Текст] // Техника в сельском хозяйстве. - 2007. - № 3. - С. 61-62.

Сведения об авторах

Попандопуло Константин Христофорович - канд. техн. наук, профессор кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Азово-Черноморской государственной агроин-женерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-0-66.

Ксенз Николай Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика» АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359) 43-7-94.

Сидорцов Иван Г еоргиевич - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Физика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерно-град).

Сорокин Борис Николаевич - Глава Администрации Целинского р-на Ростовской области. Тел. 8(86324) 40-4-45.

Information about the authors

Popandopulo Konstantin Khristoforovitch - Candidate of Technical Sciences, professor of the department of theoretical and applied mechanics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-0-66.

Ksenz Nikolay Vasilievitch - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Phone: 8(86359) 43-7-94.

Sidortsov Ivan Georgievitch - Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Sorokin Boris Nikolaevitch - Head of Tselinsky District Administration, Rostov region. Phone: 8(86324) 40-4-45.

УДК 621.311.245

АНАЛИЗ АВТОНОМНЫХ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ © 2010 г. С.М. Воронин, Л.В. Бабина

Приведен анализ ветрустановок для автономных ветроэлектростанций. Показано, что наибольшей эффективностью обладают автономные ветроэлектростанций с ортогональной ветроустановкой.

Ключевые слова: автономные ветроэлектростанции, ветроустановки, коэффициент использования мощности, КПД, стоимость электроэнергии.

The authors analyze wind installations for stand-alone wind-driven electric power stations. It is shown that the latter with an orthogonal wind installation possess the greater efficiency.

Key words: stand-alone wind-driven electric power stations, wind installation, capacity factor, coefficient of efficiency, energy cost.